Propriétés électro-mécaniques des nanotubes de carbone

Electromechanical properties of carbon nanotubes

• Auteur / Autrice : Zhao Wang
• Direction : Michel Devel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromécanique

Nanotubes de carbone

Résumé

Le but de cette thèse était de modéliser la réponse mécanique de nanotubes de carbone à des champs électriques. Nous avons commencé par utiliser le potentiel AIREBO dans des simulations de dynamique moléculaire afin d'étudier l'élasticité non-linéaire et la limite de déformation en torsion de divers nanotubes, en fonction de leur longueur, rayon et chiralité. Nous trouvons notamment que le module d'Young effectif des tubes décroît d'autant plus vite que la chiralité est faible. D'autre part, nous montrons que la limite de l'énergie stockable par atome lors de la torsion d'un tube est d'autant plus grande que le diamètre est petit. Nous modélisons ensuite, de façon atomistique, la distribution surfacique de charge électrique sur des nanotubes de carbone possédant une charge nette. Nous retrouvons notamment l'effet de pointe classique avec un très bon accord quantitatif avec des résultats expérimentaux obtenus par microscopie à force électrostatique. Par combinaison des méthodes utilisées dans les études précédentes, nous simulons la déflection de nanotubes semi-conducteurs et mé1ialliques par un champ électrique extérieur, dans une configuration de type interrupteur moléculaire. L'effet des caractéristiques géométriques des tubes et du champ sur cette déflection ont été systématiquement étudiés. En outre, nous avons vu que des simulations de dynamique moléculaire avec le potentiel AIREBO permettent de retrouver quantitativement les énergies expérimentales d'adsorption du benzène, du naphtalène et de l'anthracène sur le graphite. Ce type de simulation nous permet d'avancer sur la voie de la compréhension de la sélectivité de l'adsorption de certaines molécules surfactantes à plusieurs cycles benzéniques sur des nanotubes de chiralité donnée.

This thesis aimed at modeling the mechanical behavior of carbon nanotubes (CNTs) in electric fields. We first used molecular dynamics (MD) simulations with the AIREBO potential to study the non- linear elasticity and the torsion strength of CNTs as a function of their length, radius and helicity. We find for example, that the effective Young's modulus of a CNT decreases with a steeper slope for smaller helicities. Also, the ultimate value of the deformation energy that can be stored in CNTs is found to increase with smaller radii. Then, we modeled the distribution of electric charges on carbon nanotubes carrying a net charge. An atomic charge-dipole model regularized by convolution with a Gaussian is used. Extrapolation of our theoretical results agree quantitatively with experimental results from electrostatic force microscopy experiments. We also combined the methods used in both previous parts to simulate the deformation of nanotubes in electric fields. We demonstrate the influence of the external field, the geometry of the tube and the property of electronic transport of the tube on the electrostatic deformation. Finally, we checked that MD simulations with the AIREBO potential agree quantitatively with experiment results for the absorption of benzene, naphthalene or anthracene on graphite. We then studied the physisorption of surfactants with several benzene rings on CNTs in order to assess their efficiency for the select ion of CNTs according to their diameter or chirality.