Synthèse contrôlée CCVD de films de nanostructures orientées de carbone ( nanotubes de carbone, etc. . ) : Applications en l'émission de champ et au magnétisme

Controlled CCVD synthesis of oriented carbon nanostructures films ( carbon nanotubes, etc. . ) Applications to field emission and magnetism

• Auteur / Autrice : Costel-Sorin Cojocaru
• Direction : François Le Normand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés magnétiques

Nanoparticules

Émission de champ

Carbone

Synthèse (chimie)

Nanotubes

Résumé

Le travail développé s'est focalisé sur la synthèse des films orientés nanotubes de carbone, leur caractérisation et leurs applications dans les technologies concernant l'émission de champ ainsi que le magnétisme des nanoparticules métalliques encapsulées. Nous avons développe une procédure de synthèse dénommé DC HF CCVD (Direct Current Hot Filament enhanced Catalytically-activated Chemical Vapor Deposition) sur des substrats plans de SiO2 /Si(100). Une étude détaillée et comparée - par spectroscopie des électrons (XPS, AES, EELS), spectroscopie RAMAN, microscopie électronique a balayage (MEB) et en transmission (MET), microscopie de force atomique (AFM) - a permis le contrôle de la croissance, de la morphologie ainsi que de la densité et du degré d'alignement des réseaux des nanotubes de carbone et d'autre nanostructures. Ces observations ont également rendu possible le développement d'un modèle qualitatif pour la croissance DC HF CCVD des nanotubes orientés. Une attention particulière a été accordée au contrôle de la densité et de la distribution spatiale des réseaux des nanotubes de carbone en empruntant pour ceci la voie de la nanolithographie (par faisceaux optiques, électroniques et ioniques). Des mesures des propriétés d'émission de champ ont été effectués sur une série d'échantillons orientés, mais non lithographiés montrant que les nanotubes émettent à partir d'une tension seuil de 2 -2. 5 V/æm et ont une émission stable. Apres croissance, les particules métalliques utilisées comme catalyseurs se retrouvent encapsulées au sommet des nanotubes et sont ainsi protégées de toute contamination après remise à l'air. Ces nanoparticules sont fortement orientées, prenant la forme de bâtonnets cylindriques ou de bouchons. Il y a donc possibilité d'obtenir à la fois une forte anisotropie de forme pour chaque particule et une orientation préférentielle pour l'ensemble des particules. Le comportement magnétique de ces particules métalliques (essentiellement cobalt) encapsulées dans des nanotubes de carbone ou d'autres nanostructures non magnétiques a été étudié par des techniques SQUID et MFM. Différents comportements ont été mis en évidence.

The present work is focused on the synthesis of oriented carbon nanotubes films, their characterization and their applications in technologies concerning field emission as well as the magnetism of encapsulated metallic nanoparticules. We have developed a growth technique called DC HF CCVD (Direct Current Hot Filament enhanced Catalytically-activated Chemical Vapor Deposition) on plane substrates of SiO 2 / Si(100). A detailed and comparative study - by means of electrons spectroscopy (XPS, AES, EELS), RAMAN spectroscopy, scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy, atomic force microscopy (AFM) - allowed to control the growth, the morphology as well as the density and the alignment degree of the carbon nanotubes films and other nanostructures. Our observations also made possible to develop a qualitative growth model for oriented carbon nanotubes by a DC HF CCVD technique. A special attention was given to control the density and the spatial distribution of the carbon nanotubes arrays, using nanolithography techniques (optical, electronic or ionic beams). Measurements of the field emission properties were carried on a series of oriented, but not lithographed samples showing that the carbon nanotubes films start emitting with a threshold of 2 -2. 5 V/æm and have stable emission properties. After growth, the metallic nanoparticules used as catalysts are found encapsulated at the top of the nanotubes and thus protected from any contamination after air exposure. These nanoparticles are strongly oriented, and in appropriate deposition conditions they took a very anisotropic shape. Thus one can obtain at the same time, a strong shape anisotropy for each nanoparticle and a preferential orientation for the particles array. The magnetic properties of such arrays of Co nanoparticles encapsulated into carbon nanotubes or other nonmagnetic nanostructures were investigated by SQUID and MFM. Different magnetic behaviour were evidenced.