Comportement électrique large bande des composites polymère - fils submicroniques d'or : corrélation avec la structure et les propriétés mécaniques

Broadband electrical behavior of polymer - submicronic gold nanowire composites : correlation between structure and mechanical properties

• Auteur / Autrice : Laavanya Ramachandran
• Direction : Philippe Demont, Antoine Lonjon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 22/02/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fils électriques

Conduction électrique

Propriétés électriques

Composites polymères

Mots clés libres

Comportement électrique

Comportement diélectrique

Fils submicroniques d'or

Propriétés physiques

Comportement mécanique

Dielectric behaviour

Electrical behaviour

Gold nanowires

Physical properties

Mechanical behaviour

Résumé

L'objectif principal de ce travail est d'étudier les propriétés d'un composite polymère-métal d'un point de vue physique, thermique, mécanique et électrique large bande. Pour cela, des fils d'or à haut facteur de forme (190) ont été élaborés par un procédé d'électrodéposition dans un template. Les fils submicroniques d'or ont été dispersés dans une matrice polymère PVDF pour l'élaboration des composites conducteurs faiblement chargés. Le comportement électrique des composites met en évidence le phénomène de la percolation électrique, avec un seuil de 1,33 %vol. La dispersion des fils submicroniques d'or au sein de la matrice PVDF est homogène, avec une légère orientation. L'analyse mécanique permet de mettre en évidence le rôle de renfort des fils d'or dans la matrice PVDF et l'influence des fils sur la structure physique du PVDF. Cela se traduit par une rigidification de la matrice PVDF et plus particulièrement l'effet sur la relaxation ac , associée à l'interface cristallite-phase amorphe du PVDF. L'étude de la conductivité statique et dynamique en basse (10-2 à 106 Hz) et haute (106 à 109 Hz) fréquence montre un changement de régime de transport de charge avec une activation thermique. La conduction par tunneling est prédominante à basse température, tandis que la conductivité au-delà est expliquée par les modèles d'Efros et Shklovskii et le modèle de saut de barrières corrélés (CBH), respectivement pour la partie statique et dynamique. Les paramètres déterminés avec les modèles présentent une bonne corrélation avec les propriétés mécaniques, ce qui permet d'améliorer la compréhension des phénomènes de transport de charge dans des systèmes hétérogènes tels les composites polymère-métal faiblement chargés.

The aim of this work is to study the properties of a polymer-metal composite, with regards to physical, thermal, mechanical and broad band electrical analyses. High aspect ratio gold nanowires (Au NW) were prepared using a template electrodeposition method (aspect ratio of 190 determined by image analysis). The gold nanowires were dispersed in a PVDF polymer matrix to form low-filled conducting composites. The electrical conductivity of the composites exhibit electrical percolation behaviour with a critical volume fraction of 1.33%. SEM images show a slightly oriented but homogenous dispersion of AU NWs within the PVDF matrix. Mechanical analysis confirms that the homogenous dispersion Au NWs reinforces the PVDF matrix and highlights the influence of Au NWs on the physical structure of the PVDF matrix. This is confirmed by an increase in G' values and more specifically the ac relaxation process (associated with the crystallite-amorphous phase interface). Analysis of static and dynamic conductivity for low (10-2 to 106 Hz) and high frequency (106 to 109 Hz) regions reveals a thermally-activated charge transport process: tunneling being the predominant mechanism at low temperatures, the Efros and Shklovskii (ES) and Correlated Barrier Hopping (CBH) models being responsible for static and dynamic conductivity, respectively. The models were found to be coherent with the structure and mechanical properties of the composites, leading to a better understanding of charge transport mechanisms in low-filled polymer-metal composites.