Parmi les techniques de synthèse des nanotubes de carbone (NTC), le dépôt chimique catalytique en phase vapeur (CCVD) se détache par sa souplesse de mise en œœuvre et son potentiel de production.
La CCVD d'aérosol à partir de précurseurs liquides que nous avons choisie de développer au laboratoire permet la croissance rapide et continue de NTC multi-feuillets alignés et propres directement sur les substrats (quartz, silicium) par l'injection simultanée des précurseurs carboné (toluène) et catalytique (métallocène). L'un des challenges majeurs est de mieux contrôler les caractéristiques des particules catalytiques desquelles découlent celles des NTC. Or la formation des particules catalytiques fait intervenir des transformations en phase gaz encore mal étudiées. L'enjeu de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de croissance afin de mieux contrôler les caractéristiques des NTC.
Des études précédentes1,2 ont mis en évidence un mécanisme de croissance par la base, le cheminement des réactifs carbonés, et la présence de différentes phases cristallines à base de fer. Lors de ce séminaire je vous présenterai les nouvelles réponses qui ont pu être apportées au cours de ma thèse. Elles se composent de deux principaux volets. Le premier s'intéresse à la dynamique de croissance le long du réacteur. Nous y avons mis en évidence :
- un appauvrissement en fer le long du réacteur directement corrélé à une diminution de la densité des tapis et du diamètre des NTC
- une diminution du diamètre moyen des NTC avec l'augmentation de la concentration de ferrocène dans la solution qui révèle un mécanisme de germination homogène des particules catalytique en phase gaz.
Dans une deuxième partie, nous avons cherché à mieux caractériser l'activité des espèces catalytiques en déterminant leur nature et leur cheminement au cours de la croissance. - La trempe thermique du système nous a permis d'être au plus proche de la phase catalytique active au cours de la croissance et de formuler l'hypothèse d'une particule de fer semi-fondue sursaturée en carbone3.
- Par synthèse séquencée à partir de ferrocène et de cobaltocène, nous avons pu confirmer que le catalyseur diffuse bien jusqu'à la base du tapis de NTC pour venir alimenter le lit de particules catalytiques.
- - Enfin, nous avons montré l'effet important d'une atmosphère réductrice (NH3 ou H2), aussi bien sur la nature des phases catalytiques que sur les caractéristiques des nanotubes. Je décrirai en particulier l'influence sur leur diamètre.
Références bibliographiques :
(1) Pinault, M.; Mayne-L'Hermite, M.; Reynaud, C.; Pichot, V.; Launois, P.; Ballutaud, D. Carbon 2005, 43, 2968-2976.
(2) Pinault, M.; Pichot, V.; Khodja, H.; Launois, P.; Reynaud, C.; Mayne-L'Hermite, M. Nano Letters 2005, 5, 2394-2398.
(3) Heresanu, V.; Castro, C.; Cambedouzou, J.; Pinault, M.; Stephan, O.; Reynaud, C.; Mayne-L'Hermite, M.; Launois, P. Journal of Physical Chemistry C 2008, 112, 7371-7378.
