Synthèse de nanotubes de nitrure de bore : études de la structure et des propriétés vibrationnelles et électroniques

Boron nitride nanotubes : synthesis, structure and vibrational and electronic properties

• Auteur / Autrice : Raúl Arenal de la Concha
• Direction : Annick Loiseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des solides
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Vaporisation laser

Raman et infrarouge

Calculs ab initio

Résumé

Ce travail de thèse a porté sur l'étude des nanotubes (NTs) de nitrure de bore. Nous avons optimisé leurs conditions de synthèse par vaporisation laser et analysé les mécanismes mis en jeu tout au long de ce processus. Les produits synthétisés ont été caractérisés par Microscopie Electronique en Transmission (mode haute résolution (HRTEM), spectroscopie de pertes d'énergie (EELS)) et spectroscopies Raman (dans le visible) et infrarouge (IR). La structure des NTs a été étudiée et les différents composés du bore et d'autres impuretés ont été identifiés. Par ailleurs, une caractérisation chimique nanométrique a été effectuée. Ces résultats, combinés à l'étude de diagrammes de phase et aux informations fournies par la synthèse (températures, sources de bore et d'azote), nous ont permis de proposer un modèle phénoménologique du mécanisme de croissance des NTs en tenant compte des phénomènes de solubilisation, solidification et ségrégation des différents éléments au sein de la goutte liquide de bore. Nous avons aussi réalisé l'étude des propriétés suivantes des NTs: (a) vibrationnelles: sur des régions des échantillons riches en NTs, les spectroscopies Raman (pre-résonant, dans l'UV) et micro-IR nous ont fourni des spectres attribuables aux NTs qui ont été interprétés grâce à nos calculs ab-initio combinés au modèle de repliement de zone. (b) Electroniques: par des mesures d'EELS dans la région de pertes proches (0-50 eV). Grâce au modèle diélectrique continu, nous avons interprété les différentes excitations mises en jeu. La valeur de la bande interdite des NTs a été également estimée (5. 8-5. 9 eV), indépendamment du nombre de parois et du diamètre des tubes.

This research work concerns the study of the boron nitride nanotubes (BN-NTs). Their conditions of production by laser vaporization have been optimized and we have analyzed the various mechanisms involved in the synthesis process. We present a detailed characterisation study of the synthesis products, obtained by Transmission Electron Microscopy (high-resolution mode (HRTEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS)) and by means of Raman (visible range) and infrared (IR) spectroscopies. Product composition and analysis have been determined: different boron based compounds and other impurities are also identified. We have performed a nanometric chemical characterization. These results, combined with phase diagram analysis and information obtained from the synthesis work (temperature, B and N sources) strongly support our proposed phenomenological NT growth mechanism. This model considers the solubility, solidification and segregation phenomena of the different elements present in the liquid boron drop. We have also performed a study of the following NT properties: (1) vibrational: measurements using Raman (pre-resonant, UV range) and micro-IR spectroscopies, obtained on the sample regions rich in NTs, provide us with spectra that we can attribute to the NTs. These results are discussed in comparison with ab initio calculations and the zone-folding method. (2) Electronic: via EELS measurements in the low-loss region (0-50 eV). The different excitations obtained have been interpreted using the continuum dielectric model. The optical gap of the NTs found to be close to 5,8-5,9 eV, independent on the number of layers or radii of the tubes.