Synthèse de nanotubes, graphène et hybrides par PECVD et arc électrique

Synthesis of carbon nanotubes, graphene and hybrids by PECVD and electric arc

• Auteur / Autrice : Aichata Kane
• Direction : Samir Farhat, Aliou Barry, Salim-Mourad Cherif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences matériaux
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Paris 13 en cotutelle avec Université des sciences, de technologie et de médecine (Nouakchott)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Souad Ammar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salim-Mourad Cherif, Mohamed Abderrahmane Sanhoury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Souad Ammar, Mohamed Lamine Gaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes de carbone

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Arc électrique

Graphène

Mots clés libres

PECVD

Arc

Nanotubes

Résumé

Cette thèse est dédiée à une étude exploratoire sur la croissance de nanotubes de carbone (CNT) et de graphène (Gr) par deux procédés particuliers développés au Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM). Pour les nanotubes verticalement alignés et leurs hybrides Co@CNT, le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) a été utilisé. Nous avons tenté d’améliorer la verticalité et la densité des nanotubes tout en limitant les défauts structuraux, par l’intercalation de barrières de SiN2 et d’Al2O3 qui ont permis une amélioration. Nous avons réussi à architecturer la croissance des (CNT) par lithographie. Pour accéder à une meilleure compréhension des mécanismes physico-chimiques intervenant en PECVD, nous avons modélisé la décomposition du gaz H2/CH4/O2 via un modèle de cinétique homogène couplé à un schéma de surface approprié qui a permis de calculer la vitesse de croissance des nanotubes à l’aide du logiciel ANSYS Fluent. Pour le graphène, nous avons développé un procédé par arc électrique en une étape pour synthétiser le graphène et ses hybrides à base de cuivre( GrCu) et d'oxyde de zinc (GrZnO) en incorporant ces deux derniers dans l’anode en graphite. Après l'application d'un courant continu, un plasma est créé et l'anode est consommée par érosion. Un flux continu et abondant d’espèces de carbone, de zinc ou de cuivre, quitte l'anode à une température relativement élevée, s'écoule à travers le plasma et se condense au voisinage d'une cathode refroidie à l'eau conduisant à des feuillets de graphène de quelques couches avec une structure très ordonnée. Lorsque les nanoparticules de cuivre ou d'oxyde de zinc sont ajoutés au graphite de l’anode, du graphène incurvé a décoré les nanoparticules sphériques de Cu et de ZnO conduisant à un processus de synthèse en une étape d'hybrides de graphène, qui combinent les propriétés synergiques du graphène avec ceux des métaux ou des matériaux semi-conducteurs nanostructurés. Les échantillons préparés ont été caractérisés par spectroscopie Raman, diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie (EELS), cartographie élémentaire filtrée en énergie et par microscopie électronique en transmission (MET). En plus de l'étude expérimentale, des simulations numériques ont été effectuées pour déterminer les champs de vitesse, de température et les distributions d'espèces dans le plasma pour les conditions de synthèse spécifiques, fournissant ainsi des informations précieuses sur les mécanismes de croissance.

This thesis is dedicated to an exploratory study on the growth of carbon nanotubes (CNT) and graphene (Gr) by two particular processes developed at the Laboratory of Process and Materials Sciences (LSPM). For vertically aligned nanotubes and their Co @ CNT hybrids, plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD) was used. We aimed to improve the verticality and density of the nanotubes while limiting structural defects, by inserting SiN2 and Al2O3 diffusion barriers which allowed an improvement. We have succeeded in architecting the growth of (CNT) by lithography. To provide a better understanding of the physicochemical mechanisms involved in PECVD, we modeled the decomposition of the H2/CH4/O2 gas via a homogeneous kinetic model coupled to an appropriate surface scheme which made it possible to calculate the growth rate of nanotubes using ANSYS Fluent software. For graphene, we have developed a one-step electric arc process to synthesize graphene and its copper (GrCu) and zinc oxide (GrZnO) hybrids by incorporating the latter two into the graphite anode. After the application of a direct current, plasma is created and the anode is consumed by erosion. A continuous and abundant flow of carbon, zinc or copper species leaves the anode at a relatively high temperature, flows through the plasma and condenses in the vicinity of a water-cooled cathode leading to graphene sheets of a few layers with a very ordered structure. When Cu or ZnO nanoparticles are added to the graphite of the anode, curved graphene decorated the spherical Cu and ZnO nanoparticles leading to a one-step synthesis process of graphene hybrids, which combine the synergistic properties of graphene with those of metals or nanostructured semiconductor materials. The samples prepared were characterized by Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), spectroscopy (EELS), energy filtered elemental mapping and by transmission electron microscopy (TEM). In addition to the experimental study, numerical simulations were performed to determine the velocity fields, temperature and species distributions in plasma for specific synthesis conditions, thus providing valuable information on growth mechanisms