Estudio de sistemas anisotrópicos basados en nanotubos de carbono : propriedades estructurales, orientacionales y ópticas
Institution:
Montpellier 2Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Carbon nanotubes present exceptional physical (mechanical, thermal, elctronic, optical…) properties at the individual scale. In order to optimize these properties in composite materials at the macroscopic scale, a good control of the dispersion and anisotropy of the nanotubes is required. This PhD work is devoted to the elaboration of various singlewall carbon nanotubes-based composites and to the study of their optical properties, especially photoluminescence. The study of the orientational order of nanotubes in the composites is achieved by polarized optical microscopy as well as absorption, Raman and photoluminescence spectroscopies. All studied materials are prepared from aqueous suspensions of individual nanotubes stabilized by surfactants (SDS or denaturated DNA). Silica/nanotube composites prepared by the sol-gel process display a strong photoluminescence signal but this property is lost in the xerogels and aerogels obtained by drying of the gels. Lyotropic nematic phases are prepared by concentrating nanotubes/DNA aqueous supensions and orientated in thin cells by shearing. Thin anisotropic films are obtained from wetting aligned suspensions. The order parameter measured on this kind of sample is weak (about 0. 2) but significant improvement is expected by the control of the nanotubes aspect ratio. On the other hand, nanotubes are dispersed in a chomonic liquid crystal, i. E. A discotic nematic lyotropic phase (cromolyn). The nematic orientates under magnetic field and induces a good orientation of the nanotubes parallel to the director (order parameter about 0. 64). Finally, PVA/nanotubes composite films are prepared and hot-stretched. The order parameter varies as a function of stretching and increases up to 0. 8 for a stretching of 400%. This series of model samples allows us to validate the hypothesis used to measure the order parameter from Raman and photoluminescence measurements. A simple geometrical model describes well the stretch-induced orientation in the composites. The photoluminescence properties (absorption and emission energies, intensity) are very sensitive to the chemical/physical environment of the nanotubes.
Abstract FR:
Les nanotubes de carbone présentent des propriétés physiques (mécaniques, thermiques, électroniques, optiques…) exceptionnelles à l'échelle du nanotube individuel. L'optimisation de ces propriétés dans des matériaux composites à l'échelle macroscopique nécessite de bien maîtriser la dispersion et l'orientation des nanotubes. Ce travail de thèse est consacré à l'élaboration de différents types de composites à base de nanotubes de carbone monofeuillets et à l'étude de leurs propriétés optiques, en particulier de photoluminescence. L'étude de l'ordre orientationnel des nanotubes dans les composites est réalisée par microscopie optique polarisée et spectroscopies d'absorption, Raman et de photoluminescence. Tous les matériaux étudiés sont préparés à partir de suspensions aqueuses de nanotubes individuels stabilisés par des surfactants (SDS ou ADN dénaturé). Des gels composites silice/nanotubes préparés par voie sol-gel présentent une forte photoluminescence mais cette propriété est perdue dans les xérogels et aérogels obtenus par séchage des gels. Des phases nématiques lyotropes sont préparées en concentrant des suspensions aqueuses de nanotubes/ADN puis orientées en cellules minces par cisaillement. Des films minces anisotropes sont obtenus par séchage des suspensions. Le paramètre d'ordre mesuré sur ce type d'échantillon est faible (autour de 0,2) mais le contrôle du facteur d'aspect des nanotubes laisse envisager une forte amélioration. Par ailleurs, des nanotubes sont dispersés dans une phase lyotrope nématique discotique de cristal liquide (cromolyn). Sous champ magnétique, le nématique s'oriente et induit une bonne orientation des nanotubes parallèlement au directeur (paramètre d'ordre 0,64). Enfin, des films composites PVA/nanotubes sont préparés et étirés à chaud. Le paramètre d'ordre varie en fonction de l'étirement et atteint 0,8 pour un étirement de 400%. Cette série d'échantillons modèles permet de valider les hypothèses utilisées pour mesurer le paramètre d'ordre par spectroscopies Raman et photoluminescence. Un modèle géométrique simple rend bien compte de l'orientation sous étirement des nanotubes dans les composites. Les propriétés de photoluminescence (énergies d'absorption et d'émission, intensité) varient sensiblement avec l'environnement physico-chimique des nanotubes.