Ce chapitre aborde la méthode de croissance de nanotubes de carbone mono-feuillets et leur étude mécanique sous fort tirage en configuration d’émission de champ. Ces travaux sont motivés par la problématique de la compréhension des phénomènes de dissipation dans les structures à base de graphène dans le but d’atteindre une meilleure maîtrise de ces excellents résonateurs mécaniques. Notre étude montre que la dissipation intrinsèque dans
2.8. CONCLUSION
les nanotubes de carbone mono feuillets en configuration encastré libre est de nature visco-élastique et que l’application d’un fort tirage permet de la diminuer drastiquement. Ce type d’effet a déjà été observé sur des structures avec un tirage fixe préalablement appliqué [38]. Nous atteignons ainsi des facteurs de qualité jusqu’ici inégalés pour ce type d’échantillons à température ambiante (Q > 25000). La configuration utilisée nous permet d’atteindre de tels résultats car elle supprime les autres canaux de dissipation qui masqueraient les phénomènes viscoélastiques (un seul point d’ancrage, matériau conducteur, pas de surface proche, UHV...). Cependant nous attribuons l’importante variation du facteur de qualité à l’effet d’ancrage mou. Un comportement similaire a été observé récemment sur des cristaux phononiques avec une masse effective un million de fois plus élevée [39]. Un des problèmes de notre étude est que les points sont peu dispersés en tension. Une solution serait de réaliser l’étude à la fois en FEM et en FIM. Cependant la méthode de croissance utilisée ne permet pas d’appliquer des tensions suffisamment élevées pour atteindre le seuil de détection en FIM à température ambiante. Une méthode de croissance plus robuste peut être appliquée mais des test préliminaires montrent que le régime de FIM est tout juste atteint avant la rupture de l’ancrage dans ce cas. L’émission ionique étant plus favorable à des températures cryogéniques les prochaines perspectives seraient donc d’utiliser la même géométrie avec un système de refroidissement adapté à de telles températures. Ainsi il serait possible d’obtenir des mesures à la fois en émission ionique et en émission de champ, donc sur des plages de tensions distinctes et éloignées, ce qui permettrait de renforcer la robustesse du modèle. Ces résultats ouvrent des perspectives d’utilisation des ces échantillons en configuration AFM pour des capteurs de force ultra sensibles : par exemple pour la détection de spin unique [40] ou pour la mesure d’interactions faibles (force de Casimir ou Van Der Waals) [41]. Le bruit de force dans nos échantillons, bien que supérieur à ce qui est atteignable dans un cryostat [42], tombe sous le seuil des 1aN/√
Hz pour deux d’entre eux, ce qui rejoint les
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Chapitre 3
Machine thermique mécanique
stochastique
3.1 Introduction
Dans ce chapitre nous allons étudier la réalisation d’une machine thermique minia-ture constituée d’un nanofil vibrant sous UHV. Du fait de ses faibles dimensions, cette nano-structure ne peut stocker et échanger que de faibles quantités d’énergie, typiquement quelques mkBT1. Or pour réaliser une machine thermique nous avons besoin de mettre cette structure en contact avec un bain thermique et il se trouve que les fluctuations de ce bain sont du même ordre ou supérieures à ses échanges avec le système. Notre machine thermique se place donc nécessairement dans le domaine de la physique stochastique pour réussir à isoler l’énergie propre de notre structure au milieu des fluctuations de ce bain thermique. Nous utiliserons donc la thermodynamique stochastique[1, 2], adaptée aux pe-tites échelles, qui redéfinit les principes de la thermodynamique macroscopique pour des grandeurs moyennées.
Les fondements de la thermodynamique reposants sur le cycle de Carnot[3], c’est le premier objectif d’étude que nous nous fixons. Le but des travaux présentés est de réussir à reconstituer un cycle complet de Carnot pour un nanofil vibrant, d’être capable de mesurer les énergies pertinentes et finalement de mesurer le rendement de ce cycle. De précédentes études ont confirmé le cadre théorique de la thermodynamique stochastique et une telle machine est capable d’atteindre le rendement ultime de Carnot[4, 5].