SElectivité durant la Croissance et Application des NanoTubes de CarbOne Monoparoi – GIANT

L’industrie commence à mettre sur le marché des applications tirant profit des propriétés intrinsèques des Nanotubes de Carbone Monoparoi (SWNT) : résistance mécanique et rapport d’aspect inégalés, et caractère métallique ou semi-conducteur dépendant de la façon dont les tubes sont enroulés. D’un point de vue fondamental, et aussi pour la viabilité commerciale de ces applications, la compréhension des mécanismes et la mise au point d’un procédé permettant la fabrication, au choix, de SWNTs semi-conducteurs (sc-) ou métalliques (m-) demeure un des points clés. La synthèse par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui a lieu à haute température (600 – 1200 C) et dans un environnement chimique complexe, n’est pas complètement maitrisée. Néanmoins, des résultats récents démontrant une croissance sélective ont déclenché une série de questions et des efforts renouvelés pour résoudre le problème. L’objectif du projet GIANT est donc de profiter des avancées récentes que nous avons obtenues dans la compréhension des mécanismes de croissance, pour arriver à un contrôle effectif des propriétés des SWNTs pendant leur synthèse. Dans un projet précédent, avec les mêmes partenaires, nous avons démontré l’importance du contrôle, pendant la synthèse, du mode de croissance, caractérisé par la géométrie de l’interface entre le tube et la nanoparticule (NP) de catalyseur. Un modèle thermodynamique reliant les énergies d’interface à la chiralité des tubes produits a été mis au point, et nous avons aussi montré que l’utilisation de NP bi-métalliques donnait une meilleure sélectivité.
Le fil conducteur du projet sera focalisé sur l’étude de la chimie et la structure de l’interface SWNT / NP par de nouvelles techniques expérimentales dédiées. Guidés par notre modélisation, nous allons développer de nouveaux catalyseurs par différentes méthodes, utilisant, entre autres, la méthode originale mise au point par greffage et calcination d’Analogues de Bleus de Prusse, qui permet de former des agrégats bi-métalliques dispersés, stables et de composition contrôlée. Des expériences in situ et en temps réel permettront des observations plus pertinentes que ce qui était fait auparavant post mortem. Un atout essentiel du projet sera l’utilisation de la plateforme NanoMAX, qui combine un microscope électronique (TEM) environnemental à l’état de l’art, avec le développement d’une cellule permettant l’injection de gaz réactifs dans les mêmes conditions que le réacteur de CVD sous UHV, utilisé au laboratoire. L’évolution chimique et structurale des catalyseurs sera aussi étudiée in situ et en temps réel sur la plateforme FENIX du LPICM. Un recoupement systématique de l’évaluation des distributions chirales des SWNT produits, par spectroscopie Raman et TEM (imagerie et diffraction) sera effectué. Les données in situ seront comparées aux analyses menées post mortem par des techniques de caractérisation avancées. En lien constant avec l’expérience, la théorie et la modélisation permettront de guider les choix de catalyseurs, et aideront à l’interprétation des résultats. La modélisation thermodynamique sera complétée par un modèle de cinétique. Nous étendrons nos simulations numériques atomistiques (Monte Carlo) à deux types de systèmes présentant des affinités différentes pour la carbone (NiPt, WC ou Mo2C), pour étudier les modes de croissance associés, et les chiralités résultantes. Chaque famille de système catalytique (NiPt, CoMo et CoW, WC ou Mo2C, précurseur de C et conditions de croissance) sera testée de façon itérative pour sa capacité à démontrer une croissance sélective. En cas de succès, elle sera employée pour produire des tubes métalliques ou semi-conducteurs qui seront incorporés dans des dispositifs (capteurs, transistors, pointes pour l’émission de champ …). Un critère de succès du projet sera l’identification de systèmes catalytiques sélectifs (sc ou m), avec des rendements raisonnables et la compréhension des mécanismes sous-jacents.