Depuis environ une dizaine d'années, les activités de recherche dans le monde en synthèse des nanotubes de carbone (NTCs) portent sur la transformation des NTCs, pour élaborer une nouvelle génération de NTCs que sont les hétéro-NTCs ou encore les méta-nanotubes. Les hétéro-NTCs consistent en une substitution partielle ou complète des atomes de carbone des graphènes par des hétéro-atomes, typiquement N et/ou B, entraînant une modification de la structure électronique et donc un nouveau comportement. Ces nouveaux nano-objets apparaissent donc très prometteurs pour de nombreuses applications. En effet, le recours à cette nouvelle famille de nano-objets permet d'envisager l'accès à des propriétés impossibles pour les NTCs génériques, ou de pallier certains problèmes récurrents de procédés, comme le manque de sélectivité des méthodes actuelles de synthèse en ce qui concerne le type de comportement électronique (métallique vs semi-conducteur) des NTCs mono-parois (SWNTs) formés au sein du même batch. A titre d'exemple, une substitution partielle par des atomes N sur un SWNT (N*NTCs) lui confère un comportement métallique quelle que soit l'hélicité. En outre, les N*NTCs ont des propriétés d'émission électronique accrues, un comportement magnétique accru, une plus grande dureté, une réactivité chimique significativement modifiée,…L'objet des travaux développés dans cette thèse est donc de synthétiser ces nanotubes hétérogènes par la méthode de l'arc électrique.
Etant donné que l'analyse EELS (Spectroscopie de perte d'énergie des électrons), procédé permettant d'estimer le taux de substitution des atomes de carbone par d'autres atomes (azote ou bore) nécessite une quantité importante de NTCs monoparois, la première étape essentielle pour le développement de notre étude consistait donc à augmenter de façon notable le rendement des SWNTs purs, de préférence en fagots. En plus des paramètres habituellement étudiés, nous avons considéré un nouveau paramètre : le volume du réacteur.
La deuxième étape de notre étude consistait ensuite à rechercher les conditions opératoires favorables à la synthèse des nanotubes hétérogènes dopés à l'azote. Deux techniques différentes ont alors été mises en œuvre pour l'apport d'azote: i) remplissage des anodes avec des mélanges de poudres de mélamine (C3H6N6) et des poudres de Nickel et d'Yttrium, ii) utilisation de mélange d'Hélium et d'Azote (He+N2) comme gaz plasmagène.
Le diagnostic du plasma est développé par spectroscopie optique en émission. La température d'excitation (Te) et celle des particules lourdes (Th) ont été déterminées à l'aide de la méthode de Boltzmann appliquée aux raies des éléments métalliques ainsi qu'à la bande de Swan C2(0,0). Le rapport des concentrations [CI]/[NiI] a ensuite été estimé pour chacune des conditions étudiées. L'influence des écarts à l'ETL sur la synthèse des NTCs hétérogènes est également discutée dans cette étude.
Parallèlement à la caractérisation du plasma, nous avons également procédé à des mesures de la température du proche voisinage de la périphérie du plasma à l'aide de thermocouples et caméra infrarouge afin de définir la zone de croissance des nanotubes hétérogènes.
La caractérisation des nanotubes hétérogènes obtenus a été effectuée de façon systématique en utilisant différentes techniques : analyse TEM (Microscopie Electronique à Transmission) pour caractériser les NTCs, le procédé EELS afin d'estimer le taux de substitution des atomes de carbone par l'azote et enfin l'EDX (Spectroscopie de dispersion d'énergie des rayons-X) en complément de l'EELS.
La corrélation établie entre les caractéristiques du plasma et la température de la zone de croissance des nanotubes nous a permis d'identifier les conditions favorables à la synthèse des nanotubes hétérogènes.
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