6.3.4 Propriétés des nanotubes de carbone!

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1 6.3.4 Propriétés des nanotubes de carbone! L'engouement des NTCs en nanoscience est principalement dû à ses propriétés physiques exceptionnelles. Les plus intéressantes sont sans doute ses propriétés mécaniques et électroniques.! Propriétés mécaniques des nanotubes de carbone! Les NTCs possèdent des propriétés mécaniques exceptionnelles. Parmi les plus importantes, il y a:! La grande rigidité et la grande force des NTCs sont dues aux nombreuses liaisons covalentes C-C. La faible densité des NTCs est due à l intérieur vide et au faible poids moléculaire du carbone.! Par exemple, les NTCs simple paroi possèdent un module de Young 5 fois plus élevé que celui calculé pour l acier.! 1!

2 Les NTCs ont une valeur de résilience 100 fois plus élevée que l acier.! Les NTCs multi-parois possèdent des propriétés mécaniques bien supérieures à celles des NTCs simple paroi.! Les NTCs possèdent la plus grande valeur de force spécifique de tout les matériaux connus:! Force (MPa)! )! Densité (g/cm 3 Force spécifique (kn m/kg)! Acier! NTC simple paroi! ! 254! 62000! 1.34! 46268! Les NTCs sont élastique car ils reprennent rapidement leur forme après une déformation.! Les NTCs multi-parois sont moins tolérants aux élongations axiales car les parois glissent les unes sur les autres.! 2!

3 Les mesures des propriétés des NTCs se fait en utilisant des pointes de microscope.! Ex.:!Mesure de la force et du module de Young! Mesure du module d élasticité! Dans cette figure, on voit que certaines propriétés mécaniques des NTCs dépendent de la qualité des parois des NTCs, surtout pour les multi-parois.! 3!

4 Propriétés électronique des nanotubes de carbone! Les propriétés électroniques exceptionnelles des NTCs proviennent de leur structure π- conjuguée.! Des trois formes de NTCs, seule la forme chaise est conductrice. Les formes zigzag et chirale sont semiconductrices.! La majorité des méthodes de synthèse des NTCs simple paroi mène au rapport suivant:! Chaise = 1/3 Zigzag + chirale = 2/3! La valeur de conductivité des NTCs conducteurs simple paroi est 70 fois supérieure à celle du cuivre. Pour les semi-conducteurs, des valeurs de mobilité de charges supérieures à cm 2 /V s, comparativement à 1500 cm 2 /V s pour le silicium amorphe utilisé dans l industrie de l électronique.! 4!

5 Dans la recherche actuelle, ce sont davantage les propriétés de semi-conducteur des NTCs qui attirent l attention que les propriétés de conducteur. Les propriétés semi-conductrices ouvrent la voie au développement de transistors à effet de champs performants.! Dans ce type de dispositifs, une électrode appelée grille génère des charges dans le matériau semi-conducteur. Le courant peut donc passer entre le drain et la source.! Pour être efficace, un transistor doit posséder un bon IDS, Ion/Ioff et un bas voltage seuil.! 5!

6 Ce type de comportement est observé avec différents semi-conducteurs, qu ils soient organiques ou inorganiques. Toutefois, les NTCs possèdent des valeurs de mobilités de beaucoup supérieures.! Problème: Obtention de NTCs semi-conducteur seulement. De plus, la largeur de bande interdite a une influence sur les valeurs de mobilité.! Les NTCs montrent également des propriétés très surprenantes selon le traitement subit avant leur introduction dans des dispositifs électroniques. Par exemple, ils peuvent agir soit comme matériau de type p, soit comme matériau de type n.! 6!

7 Les premiers TEF fabriqués à partir de NTCs étaient tous de type p. Toutefois, après différents traitements, les TEFs peuvent devenir des dispositifs de type n.! Autres applications des nanotubes de carbone! Les NTCs sont étudiés pour une vaste gamme d applications. Cependant, seules certaines d entre elles sont vraiment prometteuses.! Applications thérapeutiques! Les NTCs font l objet d intense recherche dans le milieu pharmaceutique pour la vectorisation. La vectorisation est entre autres basée sur l effet EPR.! 7!

8 Les NTCs peuvent également être très utiles dans pour le BNCT (Boron Neutron Capture Therapy).! 8!

9 Un des très grands avantages des NTCs fonctionnalisés est qu ils pénètrent très aisément les parois cellulaires de plusieurs types de cellules.! Incubation! 2h! 9!

10 Il existe beaucoup d autres applications des NTCs et des scientifiques de divers horizons s y attardent très rigoureusement. Voici d autres exemples d applications prometteuses:! 10!

11 6.4 Le graphène! Le graphène est un matériau bidimensionnel composé d atomes de carbone sp 2 uniquement. Il se présente sous forme de feuillet. Il est l unité de base du graphite:! Il s agit en quelque sorte d un nanotube de carbone simple paroi déplié.! Bien que connu depuis longtemps, le graphène a été produit pour la première fois en 2004 à l aide de la méthode de l exfoliation mécanique ou «méthode du scotch-tape».! Le graphène se présente sous forme de monocouche (single-layer graphene), mais aussi en quelques couches (few-layers graphene)! Nobel de physique en 2010: Geim et Novoselov! 11!

12 !! Jean-François Morin Nanosciences et nanotechnologies! CHM Synthèse du graphène! La synthèse du graphène peut se faire en utilisant différentes techniques de synthèse, dont beaucoup ressembles aux méthodes utilisées pour les fullerènes et les nanotubes de carbone. La majorité des techniques sont dites physiques, i.e. qu elles impliquent le traitement de sources de carbone à hautes températures.! Exfoliation micromécanique! Cette méthode est l une des plus simples et ne requière aucune température élevée. De plus, elle se fait en une seule étape à partir du graphite, un matériau naturel très abondant.! À partir de cette méthode, des feuillets d une très grande qualité de plus de 10 µm de largeur ont pu être isolés.! Inconvénient: quantité produite!! 12

13 Déposition de vapeur chimique (CVD)! Implique l utilisation de gaz très chauds (>1000 C) et des substrats de métaux de transition. Cette méthode permet la synthèse à plus grande échelle de graphène.! X. Li, W. Cai, J. An, S. Kim, J. Nah, D. Yang, R. Piner, A. Velamakanni, I. Jung, E. Tutuc, S. K. Banerjee, L. Colombo! and R. S. Ruoff, Science, 2009, 324, ! Majoritairement monocouche (<5% multi-couche)! Synthèse de graphène sur substrat de Cu à partir de CH4 et H2! Lorsque l acétylène est utilisé comme source de carbone, des températures moins élevées (750 C sont requises).! G. Nandamuri, S. Roumimov and R. Solanki, Nanotechnology,! 2010, 21, ! En utilisant l hexane liquide comme source de carbone sur substrat de Cu, des feuillets de plusieurs centimètres ont pu être préparés.! A. Srivastava, C. Galande, L. Ci, L. Song, C. Rai, D. Jariwala,! K. F. Kelly and P. M. Ajayan, Chem. Mater., 2010, 22, ! 13!

14 Croissance épitaxiale sur Si! Cette technique est l une des plus prometteuses et permet de préparer des feuillets de graphène de très grande qualité et de grandes dimensions.! Cette technique consiste à chauffer un cristal de SiC (carbure de silicium) sous vide à C. Comme le Si s évapore plus vite, on obtient une couche de carbone (graphène) restant sur un substrat de SiC.! Nano Lett. 2009, 9, 3100.! 14!

15 Arc électrique! Avantageuse par rapport à CVD car la plus haute température du procédé permet d éliminer les défauts. Utilisation d anode et de cathode de graphite avec un courant de ampères.! K. S. Subrahmanyam, L. S. Panchakarla, A. Govindaraj and! C. N. R. Rao, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, ! Peut aussi être fait dans les conditions ambiantes, mais donne d autres matériaux de carbone en faible concentration.! Phase gazeuse! Permet la synthèse en continue de graphène, sans utilisation de substrat. Habituellement, un aérosol de solvent (ex. éthanol) est projeté dans un plasma d argon.! Production de 2 mg min -1 de graphène! Nombre de couches difficile à contrôler ce qui nuit aux propriétés électroniques.! 15!

16 Réduction d oxyde de graphène! Dans cette technique, il suffit d oxyder du graphite commercial pour séparer les feuillets de graphène et d ensuite réduire les feuillets.! acides/[o]! Réduction! Graphene! 16!

17 Ouverture de nanotubes de carbones! Dans cette méthode, des NTC servent comme matériaux de départ. Le graphène produit est principalement sous forme de nanorubans (graphene nanoribbon, GNR)! Ne produit que de très petites quantités de graphène! Oxydation de NTCs; Etching au plasma; STM; Nanoparticules métalliques; Brûlure électrique.! Nature, 2009, 458, ! Pour l instant, c est la seule méthode de production de nanorubans de graphène en «grande quantité».! 17!

18 Autres méthodes de production! Il existe d autres méthodes pour la production de graphène, mais celles-ci sont moins courantes.! Synthèse organique! 18!

19 6.4.2 Propriétés du graphène! Comme les nanotubes de carbone, les propriétés électroniques sont les propriétés les plus intéressantes du graphène! Propriétés électroniques! Les propriétés électroniques du graphène dépendent de la taille et de la pureté structurale du feuillet.! Le graphène pur est considéré comme un semi-métal (zero-gap).! Mobilité d électron expérimentale: 15,000 cm 2 V -1 S -1 Limite théorique: 200,000 cm 2 V -1 S -1! La mobilité des électrons et des trous d électron est presque équivalente.! Deux méthodes existes pour rendre le graphène semi-conducteur: 1) fabrication de nanorubans et 2) introduction de défauts.! 19!

20 Nanorubans de graphène! Due à leur largeur finie dans une direction, la mobilité des électrons est confinée, ce qui mène à la création d une largeur de bande interdite non-nulle.! Zigzag! Chaise! Toujours métallique, peu importe la largeur! Métallique ou semi-conducteur, dépendamment de la largeur! La nature des bords influence grandement les propriétés électroniques des nanorubans de graphène. La nature chimique des bords peut également avoir une influence sur les propriétés électroniques.! 20!

21 Introduction de défauts dans la structure! Un moyen de donner une largeur de bande interdite au graphène est de lui introduire des défauts structuraux afin de briser la symmétrie et d interrompre le trajet des électrons.! Défauts topologiques:! Modifications chimiques:! Dépendamment de leur concentraton, les défauts peuvent permettre la création d une largeur de bande interdite.! Le dopage chimique peut être fait N, B, S, P et Si.! 21!

22 Ex.:! Transistors à effet de champ! Selon l atome dopant, l effet sur la conductivité sera différent, surtout pour les nanorubans:! 22!