Contrairement aux nanotubes de carbone qui sont des semi-conducteurs dits « à petit gap » et dont les propriétés électroniques sont complétement contrôlées par leur géométrie, les nanotubes hétérogènes mono-parois BxCyNz suscitent un grand intérêt scientifique du fait de leurs propriétés électroniques modulables. La synthèse de ces nanotubes hétérogènes permettrait en effet de moduler ce « gap » en agissant sur leur composition chimique et non sur leur géométrie. Les nanotubes BxCyNz qui résultent de la substitution de certains atomes de carbone dans le réseau graphénique par des hétéroatomes (B et/ou N) peuvent trouver de nombreuses applications notamment dans la réalisation de matériaux photoluminescents, les dispositifs à émission de champ ou encore les nanotransistors à haute température…
Ce travail porte sur la synthèse de cette nouvelle génération de nanotubes par arc électrique. Cette technique présente l'avantage de réaliser la substitution in-situ des atomes de carbone par les hétéroatomes. Elle a été menée en utilisant une approche originale basée sur la corrélation des caractéristiques du plasma (champs de température et de concentration des différentes espèces) avec la morphologie et la composition des nanostructures carbonées caractérisées par différentes techniques (HRTEM, EDX, XPS, EELS). Ces résultats permettent une meilleure compréhension des phénomènes impliqués dans la croissance des hétéronanotubes et également l'étude à l'échelle macroscopique et microscopique de la structure et l'environnement chimique des dopants dans les structures graphéniques obtenues tels que les nanotubes dopés au bore et ou à l'azote, les nanoparticules de nitrure de bore hexagonal et les couches de graphènes dopées.
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In opposition to carbon nanotubes which are semi-conductors with so called "small gap" and which electronic properties are entirely determined by their geometry, single wall heterogeneous carbon nanotubes BxCyNz yield to great scientific interest due to their tunable electronic properties. Synthesis of these heterogeneous nanotubes would indeed allow tuning this gap by acting on their chemical composition and not their geometry. BxCyNz nanotubes resulting from the substitution of some carbon atoms in the graphene lattice by heteroatoms (B and/or N) could have numerous applications, in particular in the realization of photo luminescent material, field emission devices or high operating temperature nanotransistors...
This work is dedicated to the synthesis of this new generation of nanotubes by electric arc. This technique offers the advantage to perform in-situ substitution of carbon atoms by the heteroatoms. It was carried out using an original approach based on the correlation of plasma characteristics (temperature and concentration fields of the various species) with the morphology and the composition of the carbon nanostructures characterized by various techniques (HERTEM, EDX, EELS). These results allow better understanding of the phenomena involved in the growth of the heteronanotubes and also the study at macroscopic and microscopic scale of the structure and chemical environment of the doping elements in the obtained graphene lattice, such as boron or nitrogen doped nanotubes, hexagonal boron nitride nanoparticles and doped graphene layers.
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