Academic literature on the topic 'Nanotubes – Propriétés électroniques'

Ce mémoire présente une corrélation des propriétés optiques et électriques des couches minces de carbone amorphe azoté déposées par pulvérisation cathodique. La compréhension de ces propriétés est ensuite mise à profit pour la réalisation de dispositifs électroniques élémentaires (diodes et transistors). Les propriétés optiques ont été présentées dans le cadre du modèle ππ* spécifique aux matériaux amorphes carbonés permettant de définir le paramètre de désordre W-1 comme une évaluation de la densité d'état des matériaux. Les propriétés électriques ont été étudiées par mesure de conductivité électrique en température dans une gamme de -170 °C à 300°C afin d'accéder aux différents mécanismes de transport des films minces. La microstructure des couches minces a été sondée par mesure de spectroscopie Raman et Infrarouge. Le paramètre de désordre W-1 a été interprété comme une mesure du désordre global (structural et topologique). La contribution préferentielle au désordre par incorporation d'azote dans les couches a été attribuée à une augmentation du désordre topologique (dispersion de la taille des clusters). L'augmentation de la conductivité a été corrélée dans ce stade à une augmentation de la connectivité des amas sp² en accord avec une augmentation de la taille des clusters. Aux plus grandes teneurs en azote, les films de carbone amorphe ont présenté une diminution de la conductivité et ont été décrits dans le cadre d'un modèle spécifique aux matériaux fortement sp² (adaptation du modèle à deux phases de Robertson) permettant de mettre en évidence la contribution majeure des liaisons terminales CN. Les évolutions des propriétés optoélectroniques observées ont ensuite été mises à profit pour décrire le comportement de dispositifs électroniques élémentaires (jonctions diodes Pt/aCN/Si et électrodes pour OTFT)<br>We have presented in this study a correlation of the electrical and optical properties of highly sp² amorphous carbon nitride for the development of electronic devices applications. The amorphous carbon thin films have been deposited using reactive plasma (Ar+N2) magnetron sputtering techniques (namely, DC sputtering, DCpulse sputtering and Radio Frequency sputtering). The partial pressure of nitrogen has been used to vary the optoelectronics properties of the films. The optical gap has been presented in the light of the ππ* model for amorphous carbon materials and the disorder parameter W-1 has been used to determine the Density Of States (DOS) evolution with nitrogen incorporation. The electrical conductivity has been studied in the temperature range of -170°C to 300°C and has revealed the presence of Variable Range Hopping conductivity (T&lt;~30°C) and thermally activated conductivity (higher temperature). The conductivity has been interpreted as a function of the DOS evolution. The microstructural evolutions of the films with nitrogen incorporation have been investigated by Raman spectroscopy and IR absorption spectroscopy. The disorder parameter W-1 has shown a linear dependence with the optical Tauc gap for this range of materials (highly sp² carbon films) and has been interpreted as a measure of the overall disorder (structural and topological). The nitrogen incorporation favours the graphitization and the clustering of the sp² phase in the first stage of nitrogen incorporation. The preferential contribution of disorder has been identified as an increase of topological disorder (cluster size dispersion). The increase of electrical conductivity in this stage has been correlated to the increase of disorder and has revealed an increase of the sp² connectivity consistent with an increase of the cluster size. The decrease of conductivity for the higher nitrogen content has been interpreted in a specific model for highly sp² materials (adaptation of Robertson’s two phase model). The proportion of CN triple bonds has been identified as a major effect on the material connectivity affecting the optoelectronic properties of the films. Finally, we have presented the realisation of electronic devices involving amorphous carbon thin films. The diode junction of Pt/aCN/c-Si have been realised and the behaviour of the junctions has been explained regarding to the disorder and localisation contribution of the films. The realisation of aCN electrodes for organic thin films transistors (OTFT) opens the possibility of the development of semi-metal applications for the carbon thin films with the higher conductivity

Ce travail a pour objectif la compréhension des effets des impuretés sur les propriétés électroniques et de transport électronique des nanotubes de carbones monoparois. Dans la première partie nous avons étudié l'effet du dopage substitutionnel par des atomes de bore, d’azote ou de silicium sur la structure électronique des nanotubes de carbone pour différents diamètres, dans le but de déterminer la dépendance de la réactivité chimique en fonction de la courbure des nanotubes. Puis nous avons étudié la distribution des impuretés en fonction de la chiralité des nanotubes, et le comportement des spectres optiques en fonction du diamètre et de la chiralité des nanotubes en présence d’impuretés. Dans la deuxième partie, nous avons utilisé le formalisme de la fonction de Green hors-équilibre pour mieux comprendre les propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone. Il s’agit de calculer la conductance électrique d’un nanotube dans lequel est insérée, ou sur lequel est adsorbée, une molécule organique. Pour déterminer l’adsorption de la molécule sur la surface du nanotube, nous avons calculé l’énergie totale en tenant compte des forces de dispersion de van der Waals. Nous avons également étudié l’effet des liaisons chimiques polarisées en spins à l’interface des jonctions Fe(100)- nanotube par contact direct sur les propriétés de conduction des nanotubes zigzag et armchair de différentes tailles<br>The objective of this work is to understand the effects of impurities on the electronic and transport properties of single wall carbon nanotubes. In the first part, we studied the effect of substitutional doping by boron, nitrogen or silicon atoms on the electronic structure of carbon nanotubes for different diameters in order to determine the chemical reactivity as a function of the nanotube curvature. We then studied the impurity distribution as a function of the nanotube chirality and the behavior of the optical spectra as a function of the diameter and the chirality of the nanotubes and as a function of the impurity distribution. In a second part, we used the nonequilibrium Green’s function to understand the electronic transport of carbon nanotubes. This is to calculate the electric conductance of a single nanotube in which an organic molecule is either inserted or adsorbed on its surface. To determine the adsorption of the molecule we calculated the total energy, taking into account the dispersive forces of van der Waals. We also studied the effect of spin polarized chemical bonding at the interface of the Fe(001)-nanotube direct junctions on the electronic transport of zigzag and armchair nanotubes of different sizes

Les propriétés électroniques des nanotubes de carbone varient – métal ou semi-conducteur – suivant leur diamètre et leur chiralité. Il a ainsi été montré que les nanotubes " chaise " sont métalliques alors que les nanotubes " zig-zag " ou " chiraux " sont soit métalliques soit semi-conducteurs. La relation entre chiralité et propriété électronique nous a conduit à la conception de détergents aromatiques capables de réaliser une reconnaissance supramoléculaire et la mise en suspension spécifique d'un type de nanotube par rapport à l'autre en solution aqueuse, et pouvoir ainsi enrichir un mélange de nanotubes de différentes hélicités. Nous avons développé deux types de détergents aromatiques, des dérivés du pentacène et de dérivés ryléniques, dans le but d'effectuer l'extraction spécifique de nanotubes " chaise " et " zig-zag " respectivement. Une procédure de séparation de nanotubes chaise et zig-zag a été mise au point. Elle prévoit le traitement de nanotubes mono-feuillet avec une solution aqueuse d'un détergent aromatique conçu pour reconnaître un seul type des tubes. Après sonication et centrifugation, un surnageant, riche en tubes reconnus par le détergent, est séparé du culot, appauvrit de ces tubes, en récupérant ainsi, deux échantillons contenant nanotubes de divers chiralité. Nous avons montré par deux différents techniques, la spectroscopie Raman et la microcalorimétrie, que par fonctionnalisation non-covalente des nanotubes avec l'un ou l'autre de nos détergents aromatiques, un réel enrichissement d'un type de tube par rapport à l'autre est observable. De plus, l'utilisation de ces détergents aromatiques a permis d'obtenir des suspensions très stables de nanotubes dans l'eau et une efficace dispersion de fagots. Des images de microscopie à transmission électronique des échantillons de nanotubes issus de la fonctionnalisation avec nos détergents aromatiques, montrent la présence des tubes isolés et de fagot très fins, 2-4 tubes<br>The electronic properties of carbon nanotubes vary between metallic and semi-conducting depending on their diameter and chirality. It's well known that armchair nanotubes are metallic whereas zig-zag or chiral nanotubes are either metallic or semi-conducting. The relationship between chirality and electronic properties encouraged us to design aromatic detergents to achieve a supra-molecular recognition. We have designed two types of aromatic detergents, the pentacen derivates and the rylenic derivates, in order to realize a specific recognition of “armchair” and “zig-zag” nanotubes respectively. A separation procedure of armchair from zig-zag nanotubes was developed. Our method consists of a treatment of single-walled nanotubes with an aqueous solution of the aromatic detergent designed to recognize only one type of tubes. After sonication and centrifugation the supernatant, which was enriched with nanotubes specifically recognized by the detergent, was separated from the precipitate, which consequently contained less of this kind of tubes. We have show by Raman spectroscopy and microcalorimetry, that the non-covalent functionalization of carbon nanotubes with aromatic detergents by -stacking, allows to a real enrichment of one type of nanotubes. Furthermore, the utilization of these aromatic detergents allows us to obtain very stable suspensions of the nanotubes in water. The Transmission Electron Microscopy (TEM) images of the nanotube samples after treatment with our aromatic detergents show the presence of isolated tubes and of very thin bundles (2-4 tubes)

Les propriétés électroniques de nanotubes de carbone sont étudiées par techniques de microscopie à force électrostatique (EFM) et de spectroscopie Raman. Les propriétés électrostatiques de nanotubes individuels monoparois et multiparois déposés sur des couches minces isolantes sont dans un premier temps mises en évidence par expériences d'injection de charges et mesures EFM. Après injection locale de charges par une pointe EFM, une délocalisation de charges est observée le long des nanotubes, qui correspond aux charges stockées dans les nanotubes et/ou aux charges piégées en surface de la couche d'oxyde le long des nanotubes. Ces deux effets sont dissociés expérimentalement. Les dynamiques de décharge (continue ou abrupte) de nanotubes chargés sont discutées, ainsi que les phénomènes d'exaltation de champ aux extrémités des nanotubes. Dans le cas des nanotubes multiparois, la mesure quantitative des densités linéiques de charge montre que l'électrostatique des nanotubes s'écarte des les lois classiques de l'électrostatique par plus d'un ordre de grandeur. On montre ainsi que les nanotubes multiparois ne se comportent pas comme des capacités cylindriques, mais développent une charge dans leurs parois internes. La spectroscopie Raman a été utilisée dans un second temps comme étude complémentaire des nanotubes, en corrélation avec les expériences EFM. Les spectres Raman permettent de déterminer le diamètre et la puretés des nanotubes, pour des nanotubes individuels, ainsi que pour des cordes ou des fagots de nanotubes, et enfin, d'appréhender le caractère semiconducteur ou métallique des nanotubes dans le cas de nanotubes monoparois.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude des nanotubes (NTs) de nitrure de bore. Nous avons optimisé leurs conditions de synthèse par vaporisation laser et analysé les mécanismes mis en jeu tout au long de ce processus. Les produits synthétisés ont été caractérisés par Microscopie Electronique en Transmission (mode haute résolution (HRTEM), spectroscopie de pertes d'énergie (EELS)) et spectroscopies Raman (dans le visible) et infrarouge (IR). La structure des NTs a été étudiée et les différents composés du bore et d'autres impuretés ont été identifiés. Par ailleurs, une caractérisation chimique nanométrique a été effectuée. Ces résultats, combinés à l'étude de diagrammes de phase et aux informations fournies par la synthèse (températures, sources de bore et d'azote), nous ont permis de proposer un modèle phénoménologique du mécanisme de croissance des NTs en tenant compte des phénomènes de solubilisation, solidification et ségrégation des différents éléments au sein de la goutte liquide de bore. Nous avons aussi réalisé l'étude des propriétés suivantes des NTs: (a) vibrationnelles: sur des régions des échantillons riches en NTs, les spectroscopies Raman (pre-résonant, dans l'UV) et micro-IR nous ont fourni des spectres attribuables aux NTs qui ont été interprétés grâce à nos calculs ab-initio combinés au modèle de repliement de zone. (b) Electroniques: par des mesures d'EELS dans la région de pertes proches (0-50 eV). Grâce au modèle diélectrique continu, nous avons interprété les différentes excitations mises en jeu. La valeur de la bande interdite des NTs a été également estimée (5. 8-5. 9 eV), indépendamment du nombre de parois et du diamètre des tubes<br>This research work concerns the study of the boron nitride nanotubes (BN-NTs). Their conditions of production by laser vaporization have been optimized and we have analyzed the various mechanisms involved in the synthesis process. We present a detailed characterisation study of the synthesis products, obtained by Transmission Electron Microscopy (high-resolution mode (HRTEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS)) and by means of Raman (visible range) and infrared (IR) spectroscopies. Product composition and analysis have been determined: different boron based compounds and other impurities are also identified. We have performed a nanometric chemical characterization. These results, combined with phase diagram analysis and information obtained from the synthesis work (temperature, B and N sources) strongly support our proposed phenomenological NT growth mechanism. This model considers the solubility, solidification and segregation phenomena of the different elements present in the liquid boron drop. We have also performed a study of the following NT properties: (1) vibrational: measurements using Raman (pre-resonant, UV range) and micro-IR spectroscopies, obtained on the sample regions rich in NTs, provide us with spectra that we can attribute to the NTs. These results are discussed in comparison with ab initio calculations and the zone-folding method. (2) Electronic: via EELS measurements in the low-loss region (0-50 eV). The different excitations obtained have been interpreted using the continuum dielectric model. The optical gap of the NTs found to be close to 5,8-5,9 eV, independent on the number of layers or radii of the tubes

Ce travail de thèse est dédié à l’étude couplée par TEM/EELS et STM/STS des propriétés structurales et électroniques des nanotubes de carbone purs et des nanotubes dopés à l’azote. Nous mettons d’abord en évidence le rôle des effets à N corps sur les spectres électroniques des tubes mesurés par STS et l’influence du substrat métallique. Ensuite nous présentons une étude systématique des fonctions d’ondes électroniques dans les tubes associées aux singularités de Van-Hove. Nous avons mis en évidence la brisure de symétrie de ces états qui est bien décrite par un modèle de liaisons fortes et qui a été confirmée par des calculs ab-initio. La dernière partie concerne l’étude de nanotubes dopés par des atomes d’azote. Des mesures de EELS montrent la présence d’azote dans les tubes et permet d’identifier des liaisons de type pyridinique. Les mesures STM font apparaître plusieurs défauts. Au final nous proposons que les atomes d’azote soient généralement accompagnés de défauts structuraux.

Depuis l'avènement des nanotechnologies, une grande quantité de matériaux sont façonnés à l'échelle du nanomètre par des techniques diverses et l'intégration de ces nanostructures demande une caractérisation de leur structure électronique. La microscopie à effet tunnel est adaptée à ces études car elle permet l'adressage de nanostructures uniques pour mesurer leur structure électronique. <br>Nous rapportons ici l'étude du transport électronique dans deux types de nanostructures: des nanotubes de carbone simple paroi déposés sur une surface d'or et des atomes uniques de silicium sur un substrat de silicium. <br>Dans la première étude, le couplage faible entre un nanotube et le substrat permet d'accéder à la densité d'états unidimensionnelle des nanotubes et autorise la formation de défauts ponctuels, ayant des états localisés dans la bande interdite des nanotubes. Cette modification, réversible, de la structure atomique des nanotubes de carbone amène des opportunités concernant la modification controlée et à volonté de leurs propriétés électroniques. <br>La deuxième étude vise à caractériser la dynamique des porteurs dans une liaison pendante de silicium énergétiquement isolée de tout autre état électronique sur une surface Si(111). L'analyse du transport révèle un courant inélastique mettant en oeuvre la recombinaison non radiative des électrons de la pointe avec des trous capturés par l'état de la liaison pendante, grâce à l'émission de vibrations. La spectroscopie à effet tunnel montre de plus que l'on peut caractériser l'efficacité de capture d'un état quantique unique, en connaissant son niveau d'énergie, sa fonction d'onde, sa section de capture et le couplage électron-phonon.

Pour analyser les améliorations des propriétés électroniques des matériaux carbonés, une approche par la théorie de la fonctionnelle de la densité appuyée par la spectroscopie Raman a été utilisée. Le cœur de ce travail est l’étude du dopage dans le but d’ouvrir de nouvelles voies pour la conception de matériaux à nanocomposants innovants. Ces nouvelles structures sont des fibres dont la brique élémentaire est un nanotube de carbone ou des polymères chargés en nanocarbone avec des molécules optimisant la conduction électrique. Une brève introduction est présentée sur les espèces non-covalentes, conduisant aux meilleurs résultats reportés dans la littérature, à savoir : le potassium, l’iode et les super acides. Les composés d’intercalation du graphite par des atomes de potassium sont analysés en premier. Le fort transfert de charge de l’alcalin influence directement les propriétés optiques du graphène conduisant à une signature Raman singulière avec un changement de forme lorsque l’énergie d’excitation est le double du déplacement du niveau de Fermi dû au dopage. Ensuite, une étude théorique exhaustive du dopage à l’iode est réalisée sur une monocouche de graphène. L’analyse des propriétés thermodynamiques montre qu’une augmentation progressive du taux de recouvrement des molécules engendre d’abord une transition de phase du mode d’adsorption de l’iode et se termine par la formation de complexes polyiodure. Ces complexes, via un fort transfert d’électrons, conduisent à l’augmentation de la densité d’états électronique au niveau de Fermi. Cette étude est étendue aux nanotubes de carbone, où un transfert de charge très important est obtenu après interaction soit avec des molécules d’acide chlorosulfonique par réaction d’oxydo-réduction, soit avec des molécules d’iode. Lors de la circulation d’un fort courant électrique dans ces fibres, l’effet Joule produit une désorption des dopants et réduit la conductivité électrique. Ce phénomène s’explique par le nombre de canaux de conduction disponibles déduit des signatures Raman combinée à des calculs de transport électronique. Les températures locale et moyenne sont extraites des données Raman et de transport respectivement. Ce travail constitue un ensemble cohérent de résultats pouvant servir de base pour améliorer les propriétés de transport<br>To analyze the improvements in electronic properties of carbon-based materials, an approach based on the density functional theory supported by Raman spectroscopy was used. The heart of this work is the study of doping in order to open up new paths for the design of innovative materials from nanodevices. These new structures are fibers whose the main component is a carbon nanotube or nanocarbon loaded polymers with molecules, optimizing electrical conduction. A brief introduction is presented on non-covalent species, leading to the best results reported in the literature, namely potassium, iodine and super acids. The graphite intercalation compounds by potassium atoms are analyzed first. The large charge transfer of the alkali directly influences the optical properties of graphene, resulting in a unique Raman signature with a shape change when the excitation energy is twice the shift of the Fermi level due to doping. Then, an exhaustive theoretical study of iodine doping is performed on a monolayer of graphene. Analysis of thermodynamic properties shows that a gradual increase in the recovery rate of the molecules, initially generates a phase transition of iodine adsorption mode, and ends with the formation of polyiodide complexes. These complexes, via a strong electron transfer, lead to the increase of the density of states at the Fermi level. This study is extended to carbon nanotubes, where a very large charge transfer is obtained after interacting either with chlorosulfonic acid molecules by redox reaction, or with iodine molecules. When there is a flow of a large electric current in these fibers, the Joule effect produces a desorption of dopants and reduces the electrical conductivity. This phenomenon is explained by the available number of conduction channels deducted from combined Raman signatures and electronic transport calculations. The local and average temperatures are extracted from Raman and transport data respectively. This work constitutes a coherent set of results as a basis for improving the transport properties

Depuis l'avènement des nanotechnologies, une grande quantité de matériaux sont façonnés à l'échelle du nanomètre par des techniques diverses et l'intégration de ces nanostructures demande une caractérisation de leur structure électronique. La microscopie à effet tunnel est adaptée à ces études car elle permet l'adressage de nanostructures uniques pour mesurer leur structure électronique. Nous rapportons ici l'étude du transport électronique dans deux types de nanostructures: des nanotubes de carbone simple paroi déposés sur une surface d'or et des atomes uniques de silicium sur un substrat de silicium. Dans la première étude, le couplage faible entre un nanotube et le substrat permet d'accéder à la densité d'états unidimensionnelle des nanotubes et autorise la formation de défauts ponctuels, ayant des états localisés dans la bande interdite des nanotubes. Cette modification, réversible, de la structure atomique des nanotubes de carbone amène des opportunités concernant la modification controlée et à volonté de leurs propriétés électroniques. La deuxième étude vise à caractériser la dynamique des porteurs dans une liaison pendante de silicium énergétiquement isolée de tout autre état électronique sur une surface Si(111). L'analyse du transport révèle un courant inélastique mettant en oeuvre la recombinaison non radiative des électrons de la pointe avec des trous capturés par l'état de la liaison pendante, grâce à l'émission de vibrations. La spectroscopie à effet tunnel montre de plus que l'on peut caractériser l'efficacité de capture d'un état quantique unique, en connaissant son niveau d'énergie, sa fonction d'onde, sa section de capture et le couplage électron-phonon.