Remplissage sélectif des bords de nanotubes de carbone aplatis pour utilisation en nanoélectronique – EdgeFiller

Le projet est divisé en trois lots de travaux et quatre lots de travaux transversaux. Les trois groupes de travail fournissent le flux de traitement des matériaux, du produit de nanotube brut au dispositif prototype. Trois lots de travaux transversaux représentent les compétences et les techniques qui seront appliquées pour analyser, guider et contrôler les lots de travaux à chaque étape.
Le premier groupe de travail visera initialement à reproduire des approches pour la production de gros nanotubes de carbone effondrés à partir de MWNT commerciaux. Cela comprendra l'optimisation de la cristallinité et de la pureté du MWNT. Le second objectif consistera à développer de nouveaux protocoles de synthèse à partir de technologies commerciales de nanoparticules utilisant la technologie d'intercalation brevetée des CRPP. Différentes espèces de remplissage des bords seront testées, notamment des solides cristallins et des espèces moléculaires (C60, TTF, TCNQ, I2, Br2). Notamment, nous explorerons le remplissage asymétrique du bord donneur-accepteur via un empilement moléculaire préférentiel dans les champs TTF-TCNQ et les champs électriques latéraux dans un nouveau système à double grille personnalisé. Le troisième module de travail intégrera les nanotubes effondrés à la fois intacts et remplis de bords dans un prototype de dispositif FET, afin de mesurer leur réponse et leur mobilité I-V, ainsi que le magnéto-transport, le cas échéant. Le premier lot de travail transversal implique de grandes simulations chimiques quantiques de différentes configurations de tubes remplis, avec une prédiction de propriétés pour guider le choix de remplissage approprié par expérience. Le deuxième paquet de travail transversal couvre la caractérisation de l'échantillon à l'aide de HRTEM, d'holographie et d'EELS et de Raman résonnant avec cartographie à résolution spatiale, couplé à l'AFM.

Projet en cours. Pour le moment:
1. Nous avons la première démonstration prometteuse d'une production importante de nanotubes effondrés à partir d'échantillons de nanotubes de carbone à parois multiples, en utilisant une nouvelle procédure brevetée du CRPP. Ce processus de production est en cours d'optimisation.
2. Nous avons démontré, à la fois expérimentalement et théoriquement, que le remplissage en iode de nanotubes de carbone à paroi simple peut entraîner leur effondrement, à des diamètres inférieurs à ceux des tubes non remplis. Cette nouvelle découverte inattendue ouvre la porte à la production de nanorubans de graphène plus étroits et à l’utilisation potentielle de différents matériaux sources de nanotubes.
3. Nous avons mis en œuvre une nouvelle technique TGA en utilisant une perte de masse à débit constant plutôt que la température, permettant la séparation des processus se produisant à des températures très similaires. Nous avons appliqué cela au traitement de nettoyage des nanotubes dans l'air.
4. Nous avons développé une nouvelle approche théorique utilisant les fonctions d'empreintes digitales, les algorithmes de randomisation et de compression pour générer automatiquement des structures de remplissage cristallines stables à l'intérieur des nanotubes de carbone.
5. Nous disposons maintenant d'une gamme de preuves théoriques et expérimentales du remplissage en iode de nanotubes de carbone.

A suivre, au fur et à mesure du développement du projet.

Pour le moment:
1. (en préparation) Revisiting Kinetics of Thermal Oxidation of Carbonaceous Nanomaterials, Emmanuel Picheau, Ferdinand Hof, Alain Derré, Laure Noé, Marc Monthioux and Alain Pénicaud.
2. Polyiodide structures in thin single-walled carbon nanotubes: a large-scale density-functional study, D. V. Rybkovskiy, C. P. Ewels, E. D. Obraztsova, Carbon, accepted (2018).
3. Mapping the stacking interaction of Triphenyl vinylene oligomers with graphene and carbon nanotubes, A. Yaya, A. Impellizzeri, F. Massuyeau, J. –L. Duvail, P. Briddon, C. P. Ewels, Carbon, accepted (2018).
Plus 3 presentations orale au congrès et 5 affiches.

Le projet « EdgeFiller » propose une méthode innovante pour créer des nanorubans de bi-graphènes hautement fonctionnels et modulables en tant que solution alternative supérieure aux nanorubans actuellement pressentis comme nanocomposants d'une électronique future. Ces nouveaux nanorubans seront préparés à partir de nanotubes de carbone monoparois SWCNT aplatis dits "dogbones", en référence à l'aspect transversal donné par les cavités tubulaires nanométriques créées sur chaque bord par l'aplatissement central.

La modularité fonctionnel de ce nouveau système hybride entre graphène et SWCNT provient de ces cavités de bord qui seront remplies par des espèces tels que des sels( KI,…), des molécules (C60 , TCNQ, TTF, ... ) ou des métaux. Il en résulte le dopage (charge et/ou spin) des rubans sans introduire de défauts ou de centres de diffusion électronique, problème critique pour l’exploitation comme nanocomposant du graphène ou du SWCNT pris séparément. Ceci doit permettre une grande palette de comportements électriques et optoélectroniques. Dans ce projet, le résultat visé sera une modulation de la conductivité et du caractère p ou n des porteurs de charges et l'introduction de transporteurs de spin à très forte mobilité.

Le remplissage des deux cavités latérales pourra être symétrique, ou asymétrique (un bord accepteur, un bord donneur), selon une méthode innovante que nous proposons de développer pour créer des nanorubans avec des champs électriques transversaux très élevés. La technique d’élaboration proposée promet une approche peu onéreuse et aisément adaptable au changement d'échelle, qui devrait résoudre un grand nombre des verrous actuels des dispositifs à base de graphène ou de SWCNT. EdgeFiller rassemble trois équipes CNRS reconnues au niveau mondial dans le domaine des nanocarbones, pour développer ce concept innovant, et couvrira tout le champ de la synthèse au démonstrateur (prototype de FET) en passant par la modélisation théorique DFT.