Etude des catalyseurs de croissance de nanotubes de carbone monoparois synthétisés par CVD
Institution:
Grenoble INPGDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Ces travaux de thèse portent sur la mise en œuvre de méthode CVD pour l'élaboration de nanotubes de carbone mono paroi (SWCNT pour Single Wall Carbon Nanotubes en anglais dans le texte). Le but de cette recherche est d'une part, de comprendre le rôle de chacun des constituants du catalyseur permettant la croissance des SWCNT. Le mécanisme de croissance des SWCNT sera déduit de ces explications. D'autre part, une étude paramétrique du procédé de croissance des SWCNT portant sur l'évolution des conditions exploratoires telles que la température de synthèse, le rapport des gaz réactifs (Hydrocarbure/Hydrogène) et la durée du procédé, a permis de déterminer les conditions optimisées de CVD assistée par catalyseur, pour l'élaboration de SWCNT. Les propriétés des SWCNT ont également été explorées en vue de leur utilisation potentielle dans des composants électroniques. Après un premier chapitre d'introduction générale, le second chapitre fait l'objet d'une étude bibliographique portant principalement sur les différents modes de synthèse des nanotubes de carbone et de préparation des catalyseurs pour la technique CVD assistée par catalyseur. Le troisième chapitre présente l'étude de la formulation chimique du catalyseur exploité pour la croissance des SWCNT et le rôle de chacun de ces constituants. Les propriétés physico-chimiques des SWCNT produits et le mécanisme de croissance de SWCNT sont exposées dans le quatrième chapitre. C'est également dans cette partie qu'une méthode de purification des SWCNT produits est enfin proposée en vue de l'exploitation de ces SWCNT dans des applications électroniques. Le cinquième chapitre porte d'une part, sur le transfert de procédé d'un réacteur de laboratoire (EASYTUBE) dans un réacteur industriel compatible avec des tailles de wafers de 200mm (CENTURA) et d'autre part, sur l'étude de la localisation du catalyseur et donc, des nanotubes, pour la fabrication de composants électroniques. Ce manuscrit est conclu par une conclusion générale et les perspectives à donner à ces travaux de thèse.
Abstract FR:
This thesis is focussed on the chemical vapour deposition method to produce single wall carbon nanotubes. The purposes of this research are to understand exactly the role of the various chemical components presented in catalyst for the producing of SWNTs, to control process conditions, to develop synthesis techniques for SWNTs on pattemed catalyst that allow the integration for electronic devices and to transfer process to industrial CVD instrument. Experimental investigations are presented which allow getting a comprehensive picture of the powder catalyst growth of carbon nanotubes film. The role of each element in catalyst and the optimal amount of them are illustrated. Based on the electron microscopy, Raman spectroscopy, X-Ray diffraction, X-Ray photoelectron spectroscopy and microbalance results, a new component, (FexAly)(Alz-yFel-x)04, is detected. The (FexAly)(Alz-yFel-x)04 provides a key role to create active nanoparticles for carbon nanotubes growth. Subsequent studies of the properties of the produced carbon nanotubes grown by CVD reveal significant features of the product. Based on those experimental results, a mechanism for the growth of carbon nanotubes on the powder catalyst is suggested. Furthermore, a purification method of as-grown SWCNT has been developed that provides for the removal of catalyst nanoparticles and impurity carbon. We note that our purified product contain ~95% wt. Carbon products. Complementary, by varying global growth parameters such as synthesis temperature, flow ratio of carbonaceouslhydrogen gas and growth time, this study attempts to control the process condition for the synthesis high yield of SWNTs. Furthermore, we present the results of the transfer of the synthesis process of SWNTs from the EASYTUBE system (small tubular CVD reactor) to industrial CENTURA tool (compatible wafer 200 mm) and the pattemed growth of SWNTs for electrical devices.