Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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106 Des matériaux pour les technologies de l’information et de la santé Nanotubes et matériaux bidimensionnels carbonés pour la microélectronique L’enthousiasme de la communauté scientifique pour le carbone et les matériaux carbonés ne tient pas seulement à leur beauté structurelle mais plutôt à leurs extraordinaires propriétés physiques. Le CEA détient une excellence à l’état de l’art mondial en matière de R & D sur les nanotubes de carbone et le graphène. Réacteur Centura ouvert sur le support du substrat de silicium où seront déposés les nanotubes de carbone. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 C es vingt dernières années ont été le théâtre d’une redécouverte majeure, celle d’un élément chimique que les scientifiques pensaient pourtant bien connaître : le carbone. Sixième élément du tableau périodique, quatrième élément le plus abondant dans l’Univers, présent dans toutes les formes de vies connues à ce jour, le carbone a néanmoins connu une éclipse d’intérêt dans la communauté des chercheurs. Mais, depuis une vingtaine d’années, le voilà revenu sur le devant de la scène scientifique avec un nouveau panache. Tout commence, en 1985, avec une publication originale qui valut à ses auteurs (Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley) le Prix Nobel de chimie, en 1996. Cette publication traitait du buckminsterfullerène (C 60), une molécule de la famille des fullerènes, formée d’exactement soixante atomes de carbone et surnommée molécule Artechnique/CEA « football » en raison de sa configuration proche de celle d’un ballon (figure 1). Mais ce qui mit le feu aux poudres, en 1990, ce fut la découverte de la première voie de synthèse massique du C 60, et plus généralement de toute la famille des fullerènes, par Donald Huffman et Wolfgang Krätschmer, respectivement post-doctorant et professeur au Max Planck-Institut de physique nucléaire d’Heideberg. Grâce à leurs travaux, il fut possible d’obtenir, quasiment du jour au lendemain, une synthèse simple et reproductible d’une molécule dont l’importance scientifique et le potentiel applicatif, en chimie et en physique, semblaient comparables à ceux du benzène. Tous les ingrédients étaient donc réunis pour qu’en 1991, le physicien japonais Sumio Iijima puisse observer des nanotubes de carbone (figure 1), par microscopie électronique, dans les produits dérivés de la synthèse du C 60, et que cette observation reçoive une attention toute particulière même si, historiquement, elle ne fut pas la première. Le dernier pavé dans la mare fut lancé, en 2004, par André Geim, chercheur au Département de physique de l’université de Manchester, avec son étude consacrée à une couche unique d’atomes de carbone nommée graphène – l’empilement de plusieurs couches de graphène donnant le graphite (figure 1) (1). (1) On notera qu’un abus de langage courant tend à utiliser le terme « graphène » pour des matériaux graphitiques ayant un nombre très limité de feuillets alors qu’initialement, ce terme était réservé à un plan unique. Figure 1. Modèle atomique de la molécule de buckminsterfullèrene (C 60) d’un nanotube de carbone et d’un feuillet de graphène. CEA/AlejandroLópez-Bezanilla
Une beauté structurelle doublée d’extraordinaires propriétés physiques De cette double spécificité vient la fascination suscitée par les matériaux à base de carbone dans la communauté scientifique – les nanotubes et le graphène notamment. Les nanotubes de carbone, un produit industriel emblématique issu des nanotechnologies Classiquement, ils se décrivent par le repliement, sous une forme tubulaire, d’un ou de plusieurs plans graphitiques. Mais, petite subtilité lourde de conséquences, la chiralité du tube varie selon l’orientation de l’axe autour duquel le feuillet est enroulé par rapport au réseau hexagonal du plan d’atomes de carbone. D’où l’existence d’une infinité de chiralités pour les nanotubes de carbone. À chacune d’entre elles correspond une structure de bandes spécifique dont les caractéristiques électriques diffèrent. Statistiquement, les nanotubes entrent dans la catégorie des matériaux métalliques pour un tiers des chiralités, les autres induisent une nature semi-conductrice, avec des gaps variables selon la chiralité. L’intérêt des nanotubes métalliques réside dans leur capacité à supporter des densités de courant de 4 x 10 9 A/cm 2, soit deux fois plus que le cuivre. Avec une conductivité de 3 500 W/(m.K) à la température ambiante contre 400 W/(m.K) pour le cuivre, ils s’avèrent également d’excellents conducteurs thermiques. Enfin, les nanotubes de carbone offrent des propriétés mécaniques remarquables avec les plus grands modules élastiques, et donc les meilleures limites élastiques à la traction, connus pour un matériau. Le graphène, un cristal dans un espace bidimensionnel Avec la structure de bandes qui le caractérise, il entre dans la catégorie des semi-métaux. Sa spécificité réside en une mobilité des charges (trous et électrons) considérable à température ambiante avec des mesures à plus de 15 000 cm 2 V -1 s -1 (soit plus de 10 fois celle mesurée pour le silicium) et une valeur théorique maximale de 40 000 cm 2 V -1 s -1. De plus, ses propriétés magnétiques en font un matériau potentiel majeur pour la spintronique : des longueurs de relaxation de spin de plus d’un micromètre ont ainsi été rapportées (à basse température). Quant à ses propriétés optiques, il a été montré que l’absorbance d’un monofeuillet de graphène est d’environ 2,5%, ce qui induit une diminution de la transparence du substrat sur lequel il a été déposé, lequel s’avère visible à l’œil nu, un fait rare pour une monocouche atomique. Des matériaux miracles, dix fois plus rigides que l’acier Trois méthodes prévalent aujourd’hui pour fabriquer nanotubes de carbone et graphène. La synthèse La technique initiale de synthèse des nanotubes de carbone consistait à utiliser un arc électrique entre deux électrodes de graphite, sous atmosphère résiduelle de gaz neutre, en présence d’un catalyseur/promoteur métallique favorisant leurs crois san ces. Ce mode de fabrication fut abandonné en raison de ses Disposés en tapis superposés, les nanotubes de carbone offrent de nombreuses applications à l’industrie : écrans plats, membranes pour les piles à combustible, capteurs de polluants chimiques lorsque l’on y greffe des molécules. multiples inconvénients : son faible rendement, sa gourmandise énergétique, la présence d’impuretés en grande quantité en fin de synthèse (par exemple, du carbone amorphe, des fullerènes, des particules métalliques) – d’où l’avènement de nouvelles méthodes de synthèse plus performantes. À l’heure actuelle, la méthode privilégiée utilise la technique dite de la croissance en phase vapeur. Elle consiste à décomposer, dans un four, une source gazeuse de carbone (du méthane, par exemple) en présence d’un promoteur de croissance. Même si le procédé connaît de nouvelles variantes, celui-ci obéit toujours au même principe : une source de carbone pour saturer, à haute température, une nanoparticule métallique, généralement à l’état liquide, pour augmenter et accélérer la dissolution du carbone. Si toutes les conditions extérieures sont remplies, cette nanoparticule saturée en carbone continue à dissoudre du carbone puis en « relâche » une partie sous forme de nanotubes. Ceux-ci présentent une ou plusieurs parois en fonction des paramètres de synthèse ajustables, de la nature chimique et du diamètre de la particule. En raison du nombre important de ces paramètres, la nature des nanotubes varie d’une source à l’autre, voire d’une synthèse à l’autre. L’objectif final n’en demeure pas moins de contrôler le nombre de parois du nanotube et son diamètre, mais également le nombre de défauts topologiques du réseau d’atomes de carbone et surtout sa chiralité. Or, de cette chiralité dépendent les propriétés physiques et notamment électriques des nanotubes. En dix ans, d’énormes progrès ont été réalisés et de très bons rendements obtenus avec les nanotubes monofeuillets ou les nanotubes double-feuillets ayant un diamètre bien monodisperse mais ayant aussi une distribution en chiralité relativement faible et donc des propriétés électriques plus uni formes (cela, au lieu de la distribution classique de 33% de matériaux métalliques pour 67% de matériaux semi-conducteurs : on peut ainsi parvenir à un taux de 90% de l’un ou de l’autre).C. Dupont/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 107



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