Mécanismes de croissance de nanotubes de carbone alignés : relation catalyseur-nanotube

Growth mechanism of aligned carbon nanotubes : correlation catalyst - nanotube

• Auteur / Autrice : Célia Castro
• Direction : Martine Mayne-L'Hermite, Cécile Reynaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Hydrocarbures

Métallocènes

Résumé

Dans le domaine des nanosciences qui est actuellement en plein essor, les nanotubes de carbone (NTC) suscitent un fort intérêt en raison de leurs propriétés originales qui résulte de leur structure particulière. Pour maîtriser et optimiser les procédés de fabrication, il est essentiel de comprendre les mécanismes qui régissent leur croissance. Parmi les techniques de synthèse des NTC, la CCVD (Catalytic Chemical Vapour deposition) d’aérosol, développée au laboratoire Francis Perrin, permet la croissance rapide et continue de NTC multi-feuillets alignés et propres par l’injection simultanée de précurseur carboné liquide (toluène) et catalytique (métallocène). Notre principal objectif a été de comprendre comment le métallocène donne naissance à la particule catalytique, quelle est la nature exacte de celle-ci, quels sont les paramètres qui contrôlent son activité et enfin comment les espèces catalytiques cheminent pour permettre la croissance des NTC. Grâce à une approche expérimentale faisant intervenir une étude systématique des produits le long du four pour différentes conditions thermodynamiques (flux et mode de refroidissement) et chimiques (concentration en précurseurs, introduction de gaz réducteur), nous avons mis en évidence une germination homogène des particules de fer en phase gazeuse se produisant en amont de la zone isotherme suivie de leur dépôt graduel le long du four. Les particules catalytiques à la base du tapis de NTCs alignés seraient un fer semi-fondu sursaturé en carbone qui est alimenté en continu par les espèces catalytiques qui diffusent le long du tapis de NTC jusqu’à sa base.

The field of nanoscience which is developing intensively, carbon nanotubes (CNTs) are attracting strong interest because of their particular properties resulting of their special structure. To control and optimize manufacturing processes, it is important to understand the mechanisms governing their growth. Among the synthesis methods of CNTs, the aerosol-assisted CCVD (Catalyst Chemical Vapor Deposition) process, developed in Laboratoire Francis Perrin, allows the continuous and rapid growth of aligned and clean Multi-Walled CNT by the simultaneous injection of liquid carbonaceous precursor (toluene) and catalyst precursor (metallocene). Our main objective was to understand how the chemical transformation of metallocene into catalyst particles, what is the exact nature of catalyst particles, what are the parameters controlling their activity and finally how the catalytic species progress to enable the growth of CNTs. From an experimental approach involving a systematic study of products all along the furnace for different thermodynamic (flow and cooling step) and chemical (concentration of precursors, introduction of reducing gas) conditions, we demonstrate a homogeneous nucleation of particles of iron in the gas phase occurring before the isothermal area followed by their gradual deposition along the furnace. The catalytic particles located at the base of the aligned nanotube carpet are semi-molten iron saturated with carbon that is fed continuously by the catalytic species which diffuse all along the CNT carpet to its base.