Cinétiques de croissance et performances électriques de tapis de nanotubes de carbone obtenus par une méthode de filaments chauds

Hot filament-assisted chemical vapor deposition of carbon nanotube forests : growth kinetics and electrical performances

• Auteur / Autrice : Lorie David
• Direction : Anthony Ayari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique expérimentale
• Date : Soutenance le 22/10/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Christophe Laurent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Ayari, Catherine Journet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Bonnamy, Mathieu Pinault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Conduction électrique

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotubes de carbone

CVD

Filaments chauds

Croissance

Cinétique

Conductivité électrique

Carbon nanotubes

HF-CVD

Hot filament

Growth

Kinetic

Electrical conductivity

Résumé

Le tapis de nanotubes de carbone est un matériau intéressant pour des applications telles que les batteries, les piles à combustible ou les interconnexions en microélectronique. L’optimisation de la structure du tapis et de ses performances électriques pour une application donnée, envisageable si les mécanismes de croissance du tapis sont bien compris, est encore imparfaite aujourd’hui. L’équipe du CEA-Tech de Grenoble a modifié son procédé de dépôt CVD (Chemical Vapor Deposition en anglais) pour élargir la fenêtre des conditions de croissance et améliorer les performances des tapis de nanotubes en ajoutant des filaments chauds en carbone pour activer la phase gazeuse. Les travaux de cette thèse se sont orientés vers l’évaluation du rôle des filaments sur la croissance des tapis et l’impact qu’ils ont sur les performances électriques. Des méthodes d’analyse et des dispositifs expérimentaux dédiés ont été mis en place, pour pouvoir évaluer rigoureusement l’impact des filaments chauds sur la croissance des nanotubes. La synthèse de tapis de nanotubes de même structure avec et sans assistance des filaments a permis de démontrer que les filaments chauds ne modifiaient pas la cinétique de croissance mais allongeaient considérablement la durée de vie du catalyseur. Des tapis de nanotubes plus longs mais surtout avec une densité de nanotubes plus homogène en profondeur peuvent ainsi être obtenus, améliorant ainsi les performances électriques du tapis. Un modèle combinant propriétés électriques et cinétique de croissance est proposé pour interpréter les résultats

Carbon nanotubes forest have great potential in various electrical applications such as energy storage, microelectronic interconnects or electrical cable. These high-end applications however require control and tuning of the CNT structure and electrical performances which can only be achieved thanks to a good understanding of the growth mechanism. An original implementation of hot filament assisted CVD (Chemical Vapour Deposition) was developed at CEA-Tech in Grenoble to enlarge process window and improve the synthesis of carbon nanotube forest. This new method relies on the use of a parallel array of carbon hot filaments to activate the gas phase. The work of this thesis focused on the evaluation of the role of carbon filaments on CNT forest growth and electrical properties. Dedicated experimental methods and tools were developed to accurately assess the impact of hot filament assistance during CVD growth. By growing CNT forest of identical structures both with and without filament assistance, it is shown that hot filaments do not modify growth kinetics but drastically increase the catalyst lifetime. Thicker CNT forest with uniform density from top to bottom can thus be synthesized with this method. This translates into CNT forests with improved electrical performances. A model combining electrical properties with growth kinetics is introduced to quantitatively interpret our results