NMR investigations of magnetic, electronic and dynamic properties of carbon nanotubes, peapods and derivatives
Institution:
Montpellier 2Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work deals with physical properties of carbon nanotubes and some derivatives, using NMR spectroscopy. Firstly, we studied the structural properties of nanotubes. According to the size and shape, we established the dependence of their NMR signatures and find two empiric expressions for the line shifts and line widths. Secondly, we reported a detailed analysis based on high resolution 13 C NMR of functionalized nanotubes. We identified the chemical groups or defects present in functionalized carbon nanotubes. We confirmed the magnetic interaction between carbon nanotubes functionalized with polymer chains (SPEEK). Thirdly, we investigated the local magnetic properties and the 1-D dynamics of C60 molecules inside carbon nanotubes (peapods). We modelized the origine of the diamagnetic shielding inside carbon nanotubes. We reported this diamagnetic shift to the ring-currents at the nanotube surface. Moreover, defects like C-vacancies, pentagons and chemical functionalization of the outer nanotube quench this diamagnetic effect and restore NMR signatures to slightly paramagnetic shifts. Equally, we determined the rotational dynamics of the 1-D C60 molecules inside carbon nanotubes. We have shown that the majority of C60 molecules undergo dynamical phase transitions, from free rotations to hindered rotations at 100 K and to frozen states at 30 K. Forthly, we studied the chemical and physical modifications of hydrogenated C60 molecules inside nanotubes. We observed the characterestic diamagnetic and paramagnetic shifts of the NMR lines and the appearance of sp3 carbon resonances. Finally, se studied the electomagnetic properties of inner nanotubes in double-walled carbon nanotubes. We found two kinds of nanotubes, 1-D metal and semiconducting
Abstract FR:
Le but poursuivi dans ce travail est l'analyse des propriétés physiques des nanotubes de carbone et certains de ses dérivées, à l'aide des techniques RMN. Premièrement, nous avons étudié les propriétés structurales des nanotubes. D'une part une relation entre les diamètres des tubes et les déplacements chimiques est proposée et les largeurs des raies et les nombres des feuilles des tubes d'autre part. Deuxièmement, nous avons étudié la fonctionalisation des nanotubes de carbone. Nous avons observé des réponses précises sur la nature des liaisons chimiques formées, leur réversibilité et la présence des défauts structuraux. Nous avons apporté la confirmation de l'interaction diamagnétique entre les nanotubes et des chaînes polymères (SPEEK). Troisièment, nous avons mis en évidence les propriétes magnétiques et dynamiques des "peapods". Nous avons proposé un mécanisme à l'origine de l'écrantage diamagnétique à l'intérieur des nanotubes, lié aux courants de cycle à la surface de nanotubes qui entraine des déplacements diamagnetiques. Les défauts à la surface des tubes éliminent cet effet pour créer un déplacement paramagnétique. Nous avons également déterminé les dynamiques de réorientations des molécules C60 à l'intérieur des nanotubes. Nous avons montré que la plupart des molécules C60 subissent une transition de phase d'une rotation isotropique à une rotation entravée vers 100 K et un blocage complet vers 30K. Quatrièment, nous avons révélé les détails des propriétes physiques et chimiques associés à des molécules C60 hydrogénées à l' intérieur des nanotubes. Nous avons observé des déplacements diamagnétiques et paramagnétiques des signatures RMN et des carbones de type sp3. Enfin, nous avons étudié les propriétés électromagnétiques des nanotubes bifeuillets. Nous avons trouvé deux types des nanotubes, métalique de type 1-D et semiconducteur