Synthesis, characterization, and properties of nanocomposite nickel/carbon and copper/carbon thin films deposited by plasma

Synthèse, caractérisation, et propriétés de couches minces nanocomposites nickel/carbone et cuivre/carbone déposées par procédés plasmas

• Auteur / Autrice : Nicolas Bouts
• Direction : Pierre-Yves Tessier, Benoit Angleraud, Agnès Granier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux, Couches minces, Plasmas froids, Nanomatériaux
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Bernard Humbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Yves Tessier, Benoit Angleraud, Agnès Granier, Bernard Humbert, Chantal Boulmer-Leborgne, Florence Garrelie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chantal Boulmer-Leborgne, Florence Garrelie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbone

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Matériaux poreux

Couches minces métalliques

Mots clés libres

Nanocomposites

Nickel

Cuivre

Plasma

Résumé

Les couches minces monocomposites carbone/métal, constituées de nanoparticules métalliques dans une matrice de carbone amorphe, présentent des propriétés physico-chimiques spécifiques et modulables selon leur microstructure et composition. La morphologie et la microstructure de ces matériaux sont explorées sur une grande plage de composition chimique en utilisant des techniques de microscopie électronique, EDX, XPS, DRX et spectroscopie Raman. L'influence de la nature du métal sur la microstructure et les propriétés électriques des couches minces nanocomposites métal/carbone a été étudiée pour deux métaux : le nickel et le cuivre. Les couches ont été déposées par deux procédés plasmas différents : l'un combinant la pulvérisation cathodique magnétron de la cible métallique (nickel ou cuivre) et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma de méthane et d'argon, et l'autre consistant en la pulvérisation simultanée de la cible métallique et d'une cible de graphite. L'étude des propriétés électriques de ces matériaux met en évidence un phénomène de percolation électrique des grains métalliques. Les propriétés du catalyseur pour la croissance des nanotubes de carbone et de piézorésistivité des couches à base de nickel ont été étudiées. Une nouvelle méthode de synthèse de couches de carbone nanoporeuses, par gravure sélective du cuivre contenu dans les couches nc-Cu/C, a aussi été élaborée.

Nanocomposite metal/carbon thin films, consisting of metal rich nanoparticles embedded in an amorphous carbon matrix, present specific and tunable physicochemical properties, depending on the chemical composition of thin films. The morphology and the microstructure of these materials have been explored on a wide range of chemical composition using electronic microscopy, EDX, XPS, XRD, and Raman spectroscopy. The influence of the metal nature on the nanocomposite metal/carbon thin film microstructure and electrical properties was studied for two metals : nickel and copper. The thin films were deposited using two different plasma processes : a first one combining the magnetron sputtering of the metal target (nickel or copper) and the plasma enhanced chemical vapour deposition in an argon/methane gas mixture, and the other one consisting in the cosputtering of metal and graphite targets. The study of the electrical properties highlighted an electrical percolation phenomenon. The catalytic properties for the carbon nanotubes growth and the piezoresistive behavior of nickel based thin films were studies. In addition, an original method based on the selective etching of copper nanoparticles contained in nc-Cu/C thin films was developed, leading to the synthesis of nanoporous carbon electrodes.