Elaboration et caractérisation de nanostructures carbonées par procédé CVD assisté par plasma microonde

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Faculté des Sciences et Techniques
U.F.R. Sciences et Techniques de la Matière et des Procédés
Ecole Doctorale EMMA
Thèse
Présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy I
Mention : Physique
Par
Sandra RIZK
ELABORATION ET CARACTERISATION DE NANOSTRUCTURES
CARBONEES PAR PROCEDE CVD ASSISTE PAR PLASMA
MICROONDE
Soutenue publiquement le 6 novembre 2009 devant la commission d’examen
Rapporteurs:
F. LE NORMAND Directeur de Recherches CNRS, Université de Strasbourg
T. MINEA Professeur, Université Paris Sud 11

Examinateurs:
C. HEROLD Directeur de Recherches CNRS, IJL - Nancy Université
B. ASSOUAR CR CNRS, IJL - Nancy Université (Co-Directeur de thèse)
J. BOUGDIRA Professeur, IJL - Nancy Université (Directeur de thèse)
M. TABBAL Professeur, American University of Beirut (Liban)
________________________________________________________________________________
Institut Jean Lamour, Département CP2S Chimie et Physique des Solides et des Surfaces
UMR CNRS 7198 UHP - Faculté des Sciences et Techniques - BP 239 54506
Vandoeuvre-Lès-Nancy Cedex - France A mes parents, ma soeur et mon frère
A mon mari et mes enfants
A mes beaux-parents
SOMMAIRESOMMAIRE
Sommaire 1
Introduction générale 6
Chapitre I : Etude bibliographique sur les nanotubes de carbone : structure,
propriétés, synthèse et applications
I.1. Introduction 9
I.2. Structure des nanotubes de carbone 10
I.2.1. Le carbone : hybridation et liaisons moléculaires 10
I.2.2. Les différentes formes allotropiques du carbone 12
I.2.3. Les propriétés structurales des nanotubes de carbone 15
I.2.4. Les familles de nanotubes de carbone 18
I.3. Propriétés des nanotubes de carbone 20
I.3.1. Propriétés mécaniques 20
I.3.2. Propriétés électroniques 22
I.3.3. Autres propriétés 23
I.4. Procédés de synthèse des nanotubes de carbone (NTC) 25
I.4.1. Procédés d'élaboration à haute température 25
I.4.1.1. Arc électrique 26
I.4.1.2. Flamme 27
I.4.1.3. Ablation laser 27
I.4.2. Procédés d'élaboration à température moyenne 29
I.4.2.1. Elaboration par CVD 29
I.4.2.2. Elaboration par PECVD 31
I.5. Mécanismes de croissance des nanotubes et nanofibres de carbone (NTC et
NFC) 34
I.5.1. Modèle de Baker 34
1 I.5.2. Modèle de Merkulov 36
I.6. Applications des nanotubes de carbone 37
I.6.1. Transistor a effet de champ 38
I.6.2. Source d'émission par effet de champ 38
I.6.3. Source d'électrons 39
I.7. Conclusion 42
Chapitre II : Dispositifs expérimentaux et techniques de caractérisation
II.1. Le réacteur micro-onde 50
II.1.1. L'enceinte 50
II.1.2. Le générateur micro-onde et le vide dans l'enceinte 52
III.1.3. Contrôle du procédé 53
III.1.3.1. La puissance miro-onde 53
III.1.3.2. La température du substrat 54
III.1.3.3 La densité de puissance 55
II.2. Procédure de préparation des substrats et de dépôt de catalyseur 58
II.3. Procédure de synthèse des nanostructures carbonées 60
II.4. Techniques de caractérisation des nanostrcutures élaborées 60
II.4.1. Microscopie électronique à balayage MEB 61
II.4.1.1. L'appareillage 61
II.4.2. Microscopie électronique à Transmission MET 63
II.4.2.1. Appareillage et modes de formation des images 63
II.4.2.2. Spectrométrie par dispersion d'énergie X (EDSX) 67
II.4.2.3. Préparation de l'échantillon 69
II.4.3. Spectroscopie Raman 69
II.4.4. Spectroscopie de photoélectron X (XPS) 73
II.4.4.1. Principe 73
II.4.4.2. Dispositif expérimental 75
2 II.4.4.3. Analyse des spectres 77
II.4.5. Microscopie à force atomique AFM 78
Chapitre III : Croissance et caractérisation de nanofibres de SiC
III.1. Introduction 84
III.2. Etude bibliographique sur le carbure de silicium et les différentes techniques
d'élaboration de nanofils de SiC 85
III.2.1. Etude bibliographique sur le SiC 85
III.2.1.1. Le carbure de silicium 85
III.2.1.2. Structure du SiC 86
III.2.1.3. Identification et notation des différents polytypes de SiC 88
III.2.2. Techniques d'élaboration des nanofils de SiC 90
III.2.2.1. Réduction carbothermique et croissance de nanofils de sic à partir de
nanoparticules de C, Si ou SiOx 90
III.2.2.2. Synthèse par activation mécanique (ou "ball-milling") 92
III.2.2.3. Procédé de dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un catalyseur 92
III.2.2.4. Ablation laser 94
III.2.2.5. Arc électrique 95
III.3. Etude de la croissance de nanofils de SiC 96
III.3.1. Déroulement de la croissance 96
III.3.2. La phase de pré-traitement 97
III.3.3. La phase de dépôt 109
III.3.3.1. Etude systématique portant sur l'effet de la pression totale du gaz pendant la phase de
dépôt sur la croissance de nanofils de SiC 109
III.3.4. Etude Structurale des nanofils de SiC obtenus 115
III.4. Conclusion 124
3Chapitre IV : Étude de la nanostructuration du catalyseur par pré-traitement
dans un plasma d’hydrogène
Introduction 131
IV.1. Caractérisation du substrat 132
IV.1.1. Analyse topographique du substrat 132
IV.1.2. Analyse chimique du substrat 133
IV.2. Caractérisation du catalyseur