Optimization of carbon nanotubes synthesis by microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition : experiments and modeling

Optimisation de la synthèse de nanotubes de carbone par dépôt chimique en phase vapeur assisté par micro-ondes : expérience et modélisation

• Auteur / Autrice : Ahmed Andalouci
• Direction : Samir Farhat, Salim-Mourad Cherif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 24/01/2023
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salim-Mourad Cherif, Catherine Journet, Nicolas Vukadinovic, Pierre Legagneux, Thomas Goislard de Monsabert, Khaled Hassouni, Yves Roussigne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Journet, Nicolas Vukadinovic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Spintronique

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Mots clés libres

Pecvd

Nanotubes de carbone

Démouillage

Pecvd

Carbon nanotubes

De-Wetting

Résumé

Cette thèse est dédiée à une meilleure compréhension de la croissance des nanotubes de carbone par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-ondes développé au Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM). D'abord, nous avons étudié le démouillage solide de films minces de cobalt sur une surface de TiSiN utilisée comme barrière de diffusion. Ceci a permis en particulier de corréler la taille D des nanoparticules issues du démouillage à la hauteur initiale de la couche de cobalt h via la relation D~6h en accord avec les résultats de la bibliographie. Ensuite, nous avons conduit des expériences de croissance en variant les paramètres du procédé de croissance et ceux du démouillage. Une combinaison de nos paramètres a permis d'obtenir des forêts de nanotubes denses et parfaitement alignés perpendiculairement au substrat. En particulier, nous avons démontré que l'ajout d'une faible quantité d'oxygène permettait de doubler la vitesse de croissance des nanotubes. Des travaux de modélisation incluant une chimie homogène et hétérogène ont confirmé ces résultats et ont permis d'élucider le rôle de l'oxygène. Des expériences menées à Thales TRT dans le cadre du projet DEFIS nanotubes du Labex Seam ont permis en appliquant un bias négatif de remplir les nanotubes par des nanofiles de cobalt sur des longueurs supérieures au micromètre tout en préservant l'alignement et la verticalité. Enfin, les nanoparticules, nanotubes et les nanofiles synthétisés ont subi des caractérisations physiques, leurs propriétés remarquables ouvrent ainsi la voie à des applications notamment en spintronique et en émission sous champ

This thesis is dedicated to a better understanding of the growth of carbon nanotubes by a chemical vapor deposition process assisted by microwave plasma developed at the Laboratory of Processes and Materials Sciences (LSPM). First, we studied the solid de-wetting of thin cobalt films on a TiSiN surface used as a diffusion barrier. This made it possible in particular to correlate the size D of the catalytic nanoparticles resulting from the de-wetting with the initial height of the cobalt layer h via the relation D~6h in agreement with the results of the bibliography. Then, we conducted growth experiments by varying the parameters of the growth process and those of the de-wetting. A combination of our parameters allowed obtaining forests of dense and perfectly aligned nanotubes perpendicular to the substrate. In particular, we demonstrated that the addition of a small amount of oxygen doubled the growth rate of the nanotubes. Modeling work including homogeneous and heterogeneous chemistry confirmed these results and elucidated the role of oxygen. experiments were also carried out at Thales TRT as part of the DEFIS nanotubes project of the Labex Seam have made it possible, by applying a negative bias, to fill the nanotubes with cobalt nanowires over lengths greater than one micrometer while preserving alignment and verticality. Finally, the synthesized nanoparticles, carbon nanotubes and nanowires have been subjected to physical characterization, their remarkable properties open the way to applications in particular in spintronics and in field emission