Tang Guolei, Zhang Xinfeng, Yang Shihe, Vincent Derycke et Jean-Jacques Benattar
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L’association des propriétés électriques et mécaniques remarquables des nanotubes de carbone à simple paroi (SWNT : Single Wall NanoTubes) pourrait déboucher sur de nombreuses applications dans des domaines variés comme l'électronique flexible, les biocapteurs et les cellules solaires. Les dispositifs électroniques qui utilisent des SWNT individuels comme éléments fonctionnels rencontrent des obstacles sérieux dus notamment à leur faible courant de sortie. De plus leur intégration dans des circuits nécessite de résoudre le très délicat problème de la synthèse et du positionnement précis d’un grand nombre de nanotubes électriquement homogènes. L'utilisation de réseaux denses de nanotubes alignés horizontalement en tant que films minces permettrait d'éviter ces problèmes tout en préservant une grande partie des propriétés intéressantes des nanotubes individuels. Ces films présentent un fort potentiel pour le développement d’une électronique à hautes performances et à bas coût, compatible avec une large variété de substrats, notamment les substrats organiques flexibles.
Différentes techniques de dépôt ou de croissance localisée de nanotubes ont été rapportées dans la littérature. La plus répandue est la croissance par CVD (Chemical Vapor Deposition) directement sur le substrat. Cependant, cette technique concilie difficilement une forte densité de nanotubes et un bon alignement. Elle n’est pas compatible avec tous les types de substrats en raison de la température élevée utilisée lors de la croissance (typiquement 800-900°C). De plus, la technique CVD produit invariablement un mélange de nanotubes de caractère soit métallique, soit semi-conducteur. Différentes techniques de dépôt basse température ont également été étudiées comme le dépôt par peignage, par spin-coating ou par transfert de type Langmuir-Blodgett. Il est cependant, encore difficile de savoir si ces méthodes peuvent être appliquées à la réalisation de films denses, de grande surface et organisés.
Récemment, nous avons développé et breveté une méthode originale et simple de transfert de films de tensioactifs sur des substrats solides [1]. Dans ce travail, nous avons réalisé une nouvelle étape importante : le confinement de nano-objets (ici des nanotubes de carbone), dans le film puis leur dépôt par transfert du film. Le sulfonate de sodium dodécyl benzène (SDBS) est utilisé pour disperser les SWNT en solution aqueuse (figure 1a) puis pour réaliser les parois d'un film mince sous forme de bulle. La figure 1c montre que le drainage de l'eau depuis cette bulle conduit à la formation d'un film noir qui ne réfléchit pas la lumière. La méthode de dépôt du film est décrite schématiquement sur la figure 1d. : Une bulle contenant des nanotubes de carbone monoparois est formée dans des conditions d'humidité contrôlée. Le drainage de l'eau conduit au confinement et à l'alignement des nanotubes. Un substrat solide hydrophobe est alors mis en contact avec la bulle afin de réaliser le transfert [2].
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Figure 1-a) SWNT (Single Wall Nanotubes) garni de surfactant SDBS (sodium dodecylbenzenesulfonate). -b) Vue shématique d'un film consitué d'une monocouche de SWNT. -c): Photo de la formation d'un film noir. d): Transfert du film noir sur un substrat que l'on approche de la bulle.
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Figure 2: Image AFM des nanotubes SWNT alignés (depuis la zone centrale du film noir).
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Le film transféré est constitué d'une monocouche de SWNT enfermée dans une bicouche de SDBS (figure 1b). Des images en microscopie à force atomique (AFM) du film de nanotubes déposés ont été prises à différents endroits sur le substrat. Un film de haute densité est obtenu sur la totalité de la zone de dépôt. Au centre du film, correspondant au sommet de la bulle, les nanotubes de carbone sont orientés de façon aléatoire. Mais autour de la partie centrale de lazone de dépôt les nanotubes de carbone sont très-alignés (Figure 2). Cette différence d'alignement marquée entre le centre et les zones extérieures est induite par le drainage de l'eau depuis la bulle avant le dépôt. L'analyse des images AFM montre un degré d’alignement excellent (~ 80% desSWNT dans 15° d’angle) et une épaisseur du film homogène et compatible avec une monocouche de nanotubes.
Nous avons ainsi appliqué avec succès la méthode de dépôt de films de nano-objets confinés dans la paroi d’une bulle à la réalisation de films denses, mince et alignés de nanotubes de carbone. Nous avons également montré la compatibilité de cette méthode avec les substrats organiques flexibles. L’un des avantages majeurs de cette technique est de pouvoir être appliqué à tous les types de nanotubes, en particulier aux nanotubes triés en chiralité ou en type électronique qui deviennent progressivement commerciaux. Elle peut également être étendue à d’autres types de nano-objets pour lesquels la réalisation de films organisés est un enjeu important.
Formation d'un film noir
[1]
– a) Adhesion of a Free-Standing Newton Black Film onto a Solid Substrate, Benattar J.J., Nedyalkov M., Lee F.K., Tsui O.K.C. Angew. Chem. Int. Ed. 45 4186-4188 (2006)
– b) Brevet européen « Procédé de dépôt de film mince nanométrique sur un substrat, J.J Benattar,
Demande de brevet No 06 04297, 15 mai 2006, Commissariat à l'Energie Atomique
[2] Une nouvelle méthode pour la formation de monocouches très dense de nanotubes de carbone alignés. Tang Guolei, Zhang Xinfeng, Yang Shihe, Derycke Vincent et Jean-Jacques Benattar, SMALL 6, 1488-1491 (2010).