Vers la synthèse totale de nanotubes de carbone zig-zag de diamètres contrôlés

par Baptiste Boutonnet

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Vincent Huc.

Soutenue le 12-12-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Laboratoire de chimie inorganique (UMR8613 Université Paris Sud, Orsay) (laboratoire) .

Le président du jury était Cyrille Kouklovsky.

Le jury était composé de Vincent Huc, Cyrille Kouklovsky, Isabelle Leray, Marc Sallé, Damien Prim.

Les rapporteurs étaient Isabelle Leray, Marc Sallé.


  • Résumé

    Les nanotubes de carbone (NTC) n'ont eu de cesse, depuis leur (re)-découverte par Sumio Iijima en 1991, de passionner la communauté scientifique. Leurs propriétés électroniques, optiques et mécaniques exceptionnelles en font l'un des matériaux les plus prometteurs dans le domaine des nanotechnologies. Néanmoins, l'utilisation des NTC en microélectronique se heurte à de nombreux problèmes. En particulier, les propriétés électroniques de ces nanotubes sont dépendantes de plusieurs paramètres : leur diamètre, leur organisation et le nombre de feuillets qui le composent. Ainsi, l’obtention de nanotubes exclusivement semiconducteurs (recherchées pour réaliser un dispositif microélectronique tel qu’un transistor) ne peut être garantie par les techniques de synthèse actuelles. Ces techniques (CVD, ablation laser, etc…) ne conduisent en général qu’à un mélange de nanotubes semiconducteurs et métalliques, difficiles à trier.Dans le cas spécifique des nanotubes de carbone « zig-zag », leur comportement électronique n’est défini que par le diamètre. Une synthèse de nanotubes exclusivement « zig-zag » et de diamètres contrôlés apporterait donc une solution définitive à ce problème.La chimie des calixarènes peut apporter des réponses à cette problématique. On utiliserait alors la chimie moléculaire pour former le NTC de façon séquentielle. L’objectif du travail réalisé est d'obtenir une structure de type « zig-zag » avec un diamètre strictement contrôlé par la taille du calixarène de départ.Nous avons abordé plusieurs méthodes de synthèse en fonction du motif de répétition envisagé pour la croissance séquentielle du nanotube de carbone. Dans un premier temps, une stratégie basée sur le motif cyclacène a été utilisée. Les résultats de ces travaux seront présentés dans le chapitre II. Au cours de ce chapitre nous présenterons la synthèse et la fonctionnalisation des calixarènes de départ, en vue de leur utilisation pour des réactions de types Wittig Horner ou Oléfination de Julia.Enfin, au cours du chapitre III, nous présenterons les résultats obtenus par utilisation d’une autre stratégie, basée sur la répétition d’un motif métacyclopolyphénylène. Cette stratégie est basée sur une succession de réactions de couplage de Suzuki, catalysés par des complexes de palladium.

  • Titre traduit

    Towards the total synthesis of Zig-Zag Single Walled Carbon Nanotubes with well-defined Diameters


  • Résumé

    Since their re-discovery in 1991 by Sumio Ijima, carbon nanotubes (CNT’s) have not stopped fascinating the scientific community. Their electronic, optical, and mechanical properties render them one of the most promising materials in the field of nanotechnology. Nevertheless, the use of CNT’s is has been hampered by a number of problems due to the fact that the electronic properties of CNT’s are dependent on several parameters such as diameter, organization and number of sheets that make them up. Because of these factors, obtaining nanotubes that function exclusively as semiconductors (such as those used for fabricating microelectronic devices such as transistors) cannot be guaranteed with the synthetic methods used today. These techniques (CVD, laser ablation, etc) are only capable of yielding a mixture of semiconducting and metallic nanotubes difficult to separate.In the particular case of « zig-zag » nanotubes, their electronic behavior is defined by their diameter. Thus, a synthetic method capable of rendering exclusively « zig-zag » nanotubes with discrete diameters would yield a solution to the problem.Calixarene chemistry can give answers to this problem. Using molecular chemistry in order to form CNT’s in a sequential fashion, the objective of this work will be to obtain exclusively « zig-zag » nanotubes with discrete diameters that are imposed by the size of the calixarene used as a starting block. We have tried several methods for the synthesis of CNT’s depending on the repetition motif used for the sequential growth of the desired carbon nanotube. Firstly, a strategy based on the acene functionality was used. The results of this work are presented in chapter II, where we will describe the synthesis and functionalization of the starting calixarenes used in reaction types such as Wittig Horner and Julia Olefination.Chapter III shows the results obtained using a different strategy based on the repetition of the metacyclopolyphenylene unit. This strategy is based on the reiteration of successive Suzuki coupling reactions catalyzed by palladium complexes.


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