Development of hybrid structures based on carbon nanotubes and different oxides and nitrides for applications in electrochemical capacitors, thermal management and light emitting devices

• Auteur / Autrice : Amine Achour
• Direction : Laurent Le Brizoual, Mohamed-Abdou Djouadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux, Plasmas-couches minces et nanostructures
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas froids

Oxyde de zinc

Fibres de carbone

Nanotechnologie

Mots clés libres

Nanotube de carbone

Nano-walls de carbone

Nanoparticule catalytique

Nitrure de titane

Plasmas froids

Management thermique

Super-condensateurs

Résumé

L'objectif principal de ce travail de thèse est l'utilisation des nonostructures de carbones (nanotubes de carbone et « nano-walls » de carbone) comme templates afin de déposer différents matériaux nanostructurés (TiN, VN, AIN et ZnO) pour former un nano-composite. Les nanotubes de carbone (NTCs) et les nano-walls de carbone (CNWs), ainsi que les matériaux déposés, ont été synthétisés par méthodes plasma. L'étude structurale des films nanostructurés a été réalisée par microscopie électronique à balayage et en transmission et diffraction des rayons X, les analyses physico-chimiques sont réalisées par XPS et Micro-Raman. Différentes applications potentielles de ces composites dans les domaines de stockage d'énergie (super condensateur électochimique), de dissipation thermique dans des dispositifs électoniques et des systèmes luminescents ont été étudiées. Pour cela l'influence de la composition et de l'épaisseur des films déposés sur les CNTs ou les CNWs ont été évaluées. Une première étude a été menée sur la baisse de la température de synthèse des NTCs de 600 °C jusqu'à 420 °C (température compatible avec les procédés de la micro-électronique) sans sacrifier leur qualité structurale et leur vitesse de croissance. Nous avons pour cela utilisé des couches minces de nickel-carbon (Ni/C) comme des supports catalytiques et proposé un mécanisme de croissance des NTCs sur ces supports Ni/C. La deuxième étude, présente l'application des films de TiN et de VN déposés sur les NTCs comme électrodes dans les super-condensateurs électrochimiques. Les électrodes hybrides TiN/NTCs ont montrés des performances exceptionnelles pour la réalisation des micro super-condensateurs électrochimiques. De plus une amélioration de la capacité spécifique de stockage de charges par les couches de TiN a été menée par l'optimisation des conditions de dépôt de ces films. Un mécanisme de stockage électrochimique de charges dans le TiN a été proposé pour la première fois. Dans une troisième étude, l'utilisation des templates de NTCs verticalement alignés a permis l'exaltation de la photoluminescence dans l'ultra-violet-bleu des couches minces d'AIN et de ZnO. Cette étude a permis de mettre en évidence l'effet de l'encapsulation des NTCs sur l'émission optique des matériaux à grand gap. La dernière étude concerne les premières mesures des propriétés de transport thermique des films de CNWs pour la réalisation d'évacuateurs thermiques destinés à la microélectronique. Cette étude a été menée dans le cadre du projet ANR « Nanothermic ». L'encapsulation des films de CNWs par du nitrure d'aluminium, a notamment permis d'identifier les limitations et les voies d'amélioration de notre procédé pour augmenter la conductivité thermique totale de la combinaison CNWs/AIN.

The principle objective of the work presented in this manuscript is the use of nanostructured carbon materials (carbon nanotubes and carbon nanowalls) as template in order to synthesis different hybrid nanostructured materials (such as TiN, VN, AIN and ZnO). The carbon nanotubes (CNTs) and the carbon nanowalls (CNWs) as well as the hybrid materials were synthesised by plasma methods. The structural morphology of different nanostructures was examined by TEM and SEM analyses. XRD, XPS and Micro-Raman spectroscopy were assessed for the physico-chemical analyses of ours nanostructured films. Different potential applications of the obtained hybrid structures in the field of energy storage, thermal management and light emitting devices were proposed. The effect of composition and thickness of the films deposited on the carbon nanostructures were evaluated. A first study was conducted on lowering the CNT growth temperature from 600° C to 420° C (temperature compatible with the process of micro-electronic) without sacrificing their structural quality and growth rate. This was achieved through the use of carbon nickel films (Ni/C) as catalyst supports. A growth mechanism of CNTs on the Ni/C supports was proposed. In a second study, the application of hybrid structures consisting of TiN and VN deposited on CNTs as electrodes in electrochemical capacitor was presented. The hybrid structures of TiN/CNTs have shown exceptional perfermances as electrodes in micro-supercapacitors. Moreover, the improvement of specific capacitance of TiN films has been achieved through the optimization of the deposition conditions of the film. The mechanism of electrochemical charge storage in TiN was proposed for the first time. In a third study, the enhancement of the UV-blue emission in AIN and ZnO films was achieved through use of vertically aligned CNT template. This study highlights the effect of CNT encapsulation on the optical emission of wide band gap materials. Finally, a study was conducted on the thermal transport properties of CNW films for use as thermal interface materials. This study was conducted within the framework of the national project « Nanothermic ». The encapsulation of CNW films by aluminium nitride has identified the limitations and ways to improve our process for increasing the thermal conductivity of CNWs combined with AIN.