Étude des propriétés électriques de réseaux bi- et tri-dimensionnels de nanotubes de carbone

Study of electrical properties of 2- and 3-dimensional carbon nanotubes networks

• Auteur / Autrice : Mônica Jung de Andrade
• Direction : Alain Peigney, Claude Estournès, Carlos Pérez Bergmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés électriques

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotubes de Carbone

Nanocomposites

Silica

Spark Plasma Sintering

Percolation

Propriétés électriques

Résumé

Des réseaux bi- et tridimensionnels de nanotubes de carbone (2D- et 3D-CNTNs) ont été préparés sur substrat de silice amorphe et dans une matrice silice. Les aptitudes de plusieurs types de CNTs (mono-, double- et multi-parois : SWCNTs, DWCNTs et MWCNTs) à former un réseau percolant ont été comparées par mesure de la conductivité électrique (EC) de suspensions dynamiques de ces CNTs dans le chloroforme. Les suspensions de SWCNTs présentent une EC normalisée maximale (3. 08 S. Cm2/g) d'où leur choix pour les 2D-CNTNs tandis que les suspensions de DWCNTs ont le plus faible seuil de percolation (0. 002-0. 06 vol. %) d'où leur choix pour les 3D CNTNs. Pour les 2D-CNTNs, des suspensions aqueuses de SWCNTs (avec surfactant et sonication par sonde (PS)) ont été déposées par trempage, filtration, spray et dépôt électrophorétique. La plupart des 2D-CNTNs forment un réseau percolant dont EC obéit à la loi de puissance (exposant d'environ 1,29). Leurs conductance de surface et transparence dans l'UV permettent leur utilisation dans les écrans d'affichage, les écrans tactiles, les tubes cathodiques et la dissipation des charges électrostatiques. Les CNTNs les plus lisses sont intéressants pour les cellules solaires. Les 3D-CNTNs (nanocomposites) ont été préparés par sol-gel avec des DWCNTs modérément fonctionnalisés (avec/sans séchage) dispersés par PS, puis densifiés par ''spark-plasma sintering''. La voie sèche conduit au plus faible seuil de percolation (0,35 vol. % DWCNT) alors que le matériau le plus conducteur de la voie humide présente une EC de 1,56 S/cm (6,43 vol. % DWCNT). Les EC sont suffisantes pour l'évacuation des charges électrostatiques ou pour servir d'éléments chauffants.

Two and three dimensional carbon nanotube networks (2D- and 3D-CNTNs) were prepared over silica glass substrate and in silica matrix, respectively. The aptitudes of various CNTs (single-, double- and multi-walled CNTs: SWCNTs, DWCNTs and MWCNTs, respectively) to form percolating CNTNs were compared by measurement of their electrical conductivity (EC) in dynamic suspensions in chloroform. The SWCNTs suspensions show the highest maximum normalized EC (3. 08 S. Cm2/g) while the DWCNTs ones have the lowest percolation thresholds (0. 002-0. 06 vol. %). This led to choose SWCNTs for 2D-CNTNs and DWCNTs for 3D ones. To produce 2D-CNTNs, SWCNTs aqueous suspensions (prepared with surfactant and probe sonication, PS) were deposited over the substrates through: dip-coating (DC), filtration (FM), spray-coating (SC) and electrophoretic deposition (ED). Most of the 2D-CNTNs formed a percolating CNTN whose EC follow the power law (exponent ~1. 29). Their surface conductance and UV transparency allow their use in displays, touch screens, shielding in cathode tubes and electrostatic dissipation. The smoothest CNTNs obtained by DC and ED are also interesting for solar cells. The 3D-CNTNs were prepared by sol-gel route using mildly functionalized DWCNTs (with/without dry step) dispersed with PS. The nanocomposites were fully densified by spark-plasma sintering. The ''Dry'' route allowed the lowest percolation threshold (0. 35 vol. % DWCNT), while the more conductive material from ''Wet'' route shows EC of 1. 56 S/cm (6. 43 vol. % DWCNTs). Besides the dispersion of CNTs could be improved, the achieved EC of these nanocomposites is high enough for their use in anti-electrostatic or heating applications.