Analyse des améliorations des propriétés électroniques des matériaux carbonés par interaction d'espèces chimiques : Approche numérique combinée à la spectroscopie Raman

Analysis of the improvements in the electronic properties of carbon materials by interaction with chemical species : Computational approach combined with Raman spectroscopy

• Auteur / Autrice : Damien Tristant
• Direction : Iann Gerber, Pascal Puech
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 19/09/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique et Chimie de Nano-Objets - Centre d'Elaboration des Matériaux et d'études structurales - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO - Centre d'élaboration de matériaux et études structurales
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Raquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iann Gerber, Alfonso San miguel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Bantignies, Luc Henrard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Spectroscopie Raman

Conduction électrique

Nanotubes

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Nanotube de carbone

Fibre

Dopage

Conductivité électrique

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Spectroscopie Raman

Graphene

Carbon nanotube

Fiber

Doping

Electrical conductivity

Density functional theory

Raman spectroscopy

Résumé

Pour analyser les améliorations des propriétés électroniques des matériaux carbonés, une approche par la théorie de la fonctionnelle de la densité appuyée par la spectroscopie Raman a été utilisée. Le cœur de ce travail est l’étude du dopage dans le but d’ouvrir de nouvelles voies pour la conception de matériaux à nanocomposants innovants. Ces nouvelles structures sont des fibres dont la brique élémentaire est un nanotube de carbone ou des polymères chargés en nanocarbone avec des molécules optimisant la conduction électrique. Une brève introduction est présentée sur les espèces non-covalentes, conduisant aux meilleurs résultats reportés dans la littérature, à savoir : le potassium, l’iode et les super acides. Les composés d’intercalation du graphite par des atomes de potassium sont analysés en premier. Le fort transfert de charge de l’alcalin influence directement les propriétés optiques du graphène conduisant à une signature Raman singulière avec un changement de forme lorsque l’énergie d’excitation est le double du déplacement du niveau de Fermi dû au dopage. Ensuite, une étude théorique exhaustive du dopage à l’iode est réalisée sur une monocouche de graphène. L’analyse des propriétés thermodynamiques montre qu’une augmentation progressive du taux de recouvrement des molécules engendre d’abord une transition de phase du mode d’adsorption de l’iode et se termine par la formation de complexes polyiodure. Ces complexes, via un fort transfert d’électrons, conduisent à l’augmentation de la densité d’états électronique au niveau de Fermi. Cette étude est étendue aux nanotubes de carbone, où un transfert de charge très important est obtenu après interaction soit avec des molécules d’acide chlorosulfonique par réaction d’oxydo-réduction, soit avec des molécules d’iode. Lors de la circulation d’un fort courant électrique dans ces fibres, l’effet Joule produit une désorption des dopants et réduit la conductivité électrique. Ce phénomène s’explique par le nombre de canaux de conduction disponibles déduit des signatures Raman combinée à des calculs de transport électronique. Les températures locale et moyenne sont extraites des données Raman et de transport respectivement. Ce travail constitue un ensemble cohérent de résultats pouvant servir de base pour améliorer les propriétés de transport.

To analyze the improvements in electronic properties of carbon-based materials, an approach based on the density functional theory supported by Raman spectroscopy was used. The heart of this work is the study of doping in order to open up new paths for the design of innovative materials from nanodevices. These new structures are fibers whose the main component is a carbon nanotube or nanocarbon loaded polymers with molecules, optimizing electrical conduction. A brief introduction is presented on non-covalent species, leading to the best results reported in the literature, namely potassium, iodine and super acids. The graphite intercalation compounds by potassium atoms are analyzed first. The large charge transfer of the alkali directly influences the optical properties of graphene, resulting in a unique Raman signature with a shape change when the excitation energy is twice the shift of the Fermi level due to doping. Then, an exhaustive theoretical study of iodine doping is performed on a monolayer of graphene. Analysis of thermodynamic properties shows that a gradual increase in the recovery rate of the molecules, initially generates a phase transition of iodine adsorption mode, and ends with the formation of polyiodide complexes. These complexes, via a strong electron transfer, lead to the increase of the density of states at the Fermi level. This study is extended to carbon nanotubes, where a very large charge transfer is obtained after interacting either with chlorosulfonic acid molecules by redox reaction, or with iodine molecules. When there is a flow of a large electric current in these fibers, the Joule effect produces a desorption of dopants and reduces the electrical conductivity. This phenomenon is explained by the available number of conduction channels deducted from combined Raman signatures and electronic transport calculations. The local and average temperatures are extracted from Raman and transport data respectively. This work constitutes a coherent set of results as a basis for improving the transport properties.