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Vendredi 7 Juillet 2017

10h30 - Bibliothèque de l’ICMN

Simulation numérique de la croissance de nanotubes de carbone, Sélectivité en diamètre, longueur et chiralité

Yann Magnin - Centre Interdisciplinaire des Nanosciences de Marseille (CINaM),
CNRS- Aix-Marseille Université, Marseille France

Résumé
Les nanotubes simples parois (SWCNTs) observés par Ijima en 1991 présentent des propriétés électroniques (métallique/semiconducteur), fonction de leurs chiralités. Les SWCNTs sont généralement synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cette technique consiste à faire agir un précurseur carboné sur une nanoparticule métallique (NP), afin de catalyser le carbone et initier la croissance des SWCNTs. Les tubes produits par CVD présentent de fortes dispersions en chiralité, diamètre et longueur, qui rendent l’exploitation industrielle des SWCNTs relativement coûteuse pour le moment. La sélectivité chirale des SWCNTs représente à ce jour le défi théorique et expérimental majeur nécessaire à l’intégration des nanotubes dans des dispositifs accessibles au grand public. L’enjeu technologique lié à la sélectivité chirale motive depuis 25 ans de nombreux travaux à l’origine d’une littérature abondante, sans que le problème n’ait put être résolu pour autant.

A partir d’un modèle de liaisons fortes développé au quatrième moment [1], et implémenté dans un algorithme Monte Carlo, nous mettons en évidence deux modes de croissance des SWCNTs, figure 1. Un mode « tangentiel » correspondant à les faibles concentrations de carbone (xc) dissout dans le catalyseur, et un mode perpendiculaire pour les fortes concentrations, figure 1 [2,3]. Ce comportement peut être généralisé pour différents types de NPs, chimie, taille, etc... Grâce au développement d’un modèle thermodynamique, nous montrons que la concentration de C dans la NP pendant la synthèse permet une sélectivité en diamètre et longueur des SWCNTs [3]. Ces différents comportements ont été mis en évidence expérimentalement [3] et sont expliqués à l’aide du diagramme de phase de NPs Ni-C, figure 2 [4]. Enfin, nous montrons la possibilité d’optimiser la sélectivité en chiralité des SWCNTs en jouant sur la chimie de la NP [5].

Figure 1 : (gauche) Diagramme de phase d’une nanoparticule de Wulff, 807 atomes, 3nm de diamètre.
(droite) Mode de croissance tangentielle (faible concentration de carbone dans le
catalyseur) et perpendiculaire, large concentration de carbone dans le catalyseur.

[1] H. Amara et al., Phys. Rev. B 79 (2009), pp. 014109.

[2] M.-F. Fiawoo et al., Phys. Rev. Lett. 108 (2012), pp. 195503.

[3] M. He, Y . Magnin, et al., Carbon 113, pp. 231

[4] Y. Magnin, A. Zappeli et al., Phys. Rev. Lett. 115 (2015), pp. 205502.

[5] Y. Magnin, M. He et al., en préparation.