Etude de nanocomposites métal/carbone synthétisés par procédé plasma hybride : des couches minces aux nanofibres

Study of metal/carbon nanocomposites deposited by a hybrid plasma process : from thin films toward nanofibers

• Auteur / Autrice : Abdel-Aziz El Mel
• Direction : Pierre-Yves Tessier, Benoit Angleraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Plasmas froids, couches minces et nanomatériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces métalliques

Nanotechnologie

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanofibres

Nanocomposites

Plasma

Carbone

Résumé

Un procédé plasma hybride a été employé pour préparer des couches minces nanocomposites métal/carbone. Ce procédé combine la pulvérisation magnétron d’une cible métallique et le dépôt de carbone en phase vapeur assisté par plasma en utilisant le méthane comme précurseur. Deux matériaux ont été considérés : titane/carbone (TiC/a-C) et nickel/carbone (Ni/a-C). L’évolution de la composition et de la microstructure des couches a été étudiée en fonction des conditions de synthèse. Les couches TiC/a-C sont formées de nanoparticules de TiC aléatoirement dispersées dans une matrice de carbone amorphe hydrogénée. En ajustant la teneur en carbone dans les couches, la taille des nanoparticules peut être contrôlée de 3 nm jusqu'à 30 nm. La dureté de ces couches, évaluée par nanoindentation, varie entre 10 et 35 GPa. Les couches Ni/a-C suivent une évolution microstructurale différente de celle des couches TiC/a-C. À faible taux de carbone, les couches sont constituées de nanofils de nickel perpendiculaires à la surface du substrat. Ces nanofils sont enrobés par une matrice de carbone amorphe. Lors de l’augmentation du taux de carbone dans les couches, la phase de nickel s’auto-organise sous forme de nanoparticules sphériques. Le comportement électrique de ces couches ainsi que leur utilisation pour la synthèse de nanotubes de carbone ont été également étudiés. Une nouvelle méthode de dépôt de nanofibres a aussi été développée à partir de substrats de silicium nanostructuré. Les nanofibres obtenues (Ni, Ti, ZnO, etc) ont des diamètres de l’ordre de 100 nm pour des longueurs pouvant atteindre le centimètre.

In this work, a hybrid plasma process has been employed for the first time to prepare metal/carbon nanocomposites thin films. This process combines magnetron sputtering of metal target and plasma enhanced chemical vapor deposition using methane as a precursor for carbon deposition. Two materials have been considered for this study: titanium/carbon (TiC/a-C) and nickel/carbon (Ni/a-C). The evolutions of the chemical composition and the microstructure of the films as a function of the deposition conditions have been studied. The microstructure analysis revealed that the TiC/a-C films were formed of TiC nanoparticles embedded in a hydrogenated amorphous carbon (a-C) matrix. By adjusting the carbon content within the films, the size of the nanoparticles can be controlled from 3 nm up to 30 nm. The hardness of these films, evaluated by nanoindentation, varies between 10 and 35 GPa. On the other hand, the Ni/a-C films have shown a different type of microstructure. At low carbon content the films consist of nickel nanowires of high aspect ratio embedded in a-C matrix. When increasing the carbon content within the films, the nickel phase takes a form of spherical nanoparticles instead of nanowires. The electrical behavior of these films as well as their use for the synthesis of carbon nanotubes have been also investigated. After optimizing the deposition of thin films, a new method devoted for the fabrication of nanofibers has been developed. This method is based on a direct deposition of the material onto a nano-grated silicon substrate which serves as a template. The obtained nanofibers (Ni, Ti, ZnO) have a diameter of about 150 nm and a length up to several millimeters