Définition, propriétés et avantages d’un réseau de nanostructures

« Nanonet », acronyme de NANOstructured NETwork, est un terme qui a été introduit par George Grüner

en 2006 (Grüner, 2007, 2006). Il désigne un réseau de nanostructures unidimensionnelles, aléatoirement

orientées à la surface d’un substrat. Deux types de nanonets se distinguent selon l’épaisseur du film

formé :

 Les nanonets tridimensionnels présentent une épaisseur comparable à la longueur des

nanostructures (Figure I-13(a)).

 Les nanonets bidimensionnels sont définis par une épaisseur de film très inférieure à la longueur

des nanostructures (Figure I-13(b)).

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Figure I-13 : Représentation schématique d’un nanonet (a) tridimensionnel et (b) bidimensionnel. Un chemin de

percolation est mis en évidence en rouge sur la figure (b).

Un tel réseau qu’il soit tridimensionnel ou bidimensionnel est régi par la théorie de la percolation. La

percolation est souvent définie comme un système dans lequel des objets, aléatoirement répartis et de

géométrie donnée, peuvent former ou non des connexions entre eux (Broadbent and Hammersley, 1957;

Pike and Seager, 1974). Un nanonet est alors défini comme percolant lorsqu’un réseau de taille infinie

peut communiquer (par exemple conduire le courant) sur l’ensemble du réseau par l’intermédiaire de

chemins de percolation qui implique des nanostructures et des connections entre nanostructures (Figure

I-13(b)). La densité de nanostructures est un paramètre clé pour contrôler la communication dans le milieu

via les interconnections entre nanostructures. De ce fait, il existe une densité critique, appelée seuil de

percolation, à partir de laquelle des chemins de percolation permettent d’assurer la communication dans

le nanonet. La fabrication de dispositifs électriques fonctionnels à partir de nanonets nécessite d’utiliser

des densités supérieures au seuil de percolation.

Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés aux nanonets bidimensionnels car ils

présentent des propriétés remarquables qui sont issues des nanostructures mais aussi du réseau formé

par ces nanostructures. En effet, une fois les nanostructures rassemblées pour former le réseau, de

nouvelles propriétés apparaissent et multiplient le nombre de degré de liberté. Ces propriétés ont été

séparées suivant les propriétés intrinsèques des nanostructures qui apparaissent à l’échelle nano et

microscopique et celles macroscopiques qui proviennent du nanonet (Grüner, 2006; Serre et al., 2015a) :

Propriétés intrinsèques des nanostructures :

 _{Nanostructures unidimensionnelles de haute qualité : Les nanonets peuvent être constitués de}

nanostructures unidimensionnelles obtenues par l’approche ascendante et bénéficient ainsi des

avantages issus de la croissance. Comme nous l’avons vu précédemment, les nanostructures

obtenues par cette approche présentent des faibles diamètres pour une haute qualité cristalline

et un procédé extrêmement flexible. Les nanonets bénéficient ainsi des propriétés intrinsèques

des nanostructures qui le constituent.

 Surface spécifique : Par définition, les nanostructures unidimensionnelles sont caractérisées par

un rapport longueur sur diamètre, appelé facteur de forme, d’environ deux ordres de grandeur.

Cette particularité géométrique leur confère une surface spécifique très élevée qui est en partie

responsable des propriétés uniques de ce type de structure. Les nanostructures

unidimensionnelles sont naturellement sensibles à leur environnement électrique les plaçant

comme des candidates prometteuses pour des applications capteurs.

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Propriétés du nanonet :

 Conductivité électrique : Au-delà du seuil de percolation, le courant est susceptible de circuler via

des chemins de percolation (appelés aussi chemins de conduction) qui impliquent les

nanostructures et les connexions entre nanostructures. Ces jonctions entre nanostructures

apparaissent comme une barrière énergétique pour les porteurs et sont donc susceptibles d’être

plus résistives que les nanostructures (Grüner, 2006; Hu et al., 2010). Elles peuvent alors

gouverner la conduction au sein du nanonet. Bien que ces jonctions engendrent des résistances

supplémentaires, les auteurs dans la littérature ont su tirer profit de leur potentiel. En effet, de

multiple applications en électronique et optoélectronique basées sur des jonctions entre des NFs

de type P et N ont vu le jour telles que des diodes (Cui and Lieber, 2001), des transistors

ambipolaires (Cui and Lieber, 2001), des portes logiques (Huang et al., 2001a), des

photodétecteurs ou encore des diodes électroluminescentes (Li et al., 2006). Les jonctions entre

nanostructures jouent ainsi un rôle primordial dans les propriétés du nanonet et nécessitent d’être

optimisées.

 _{Porosité et transparence optique : En raison du facteur de forme très élevé des nanostructures,}

les nanonets ont une transparence optique qui approche 90%. En effet, pour des réseaux

percolants peu denses, les nanonets sont essentiellement constitués de vide. Cette propriété rend

les nanonets particulièrement attractifs comme électrodes transparentes (Langley et al., 2013).

Par ailleurs, l’importante porosité du nanonet peut permettre l’insertion de matériaux

fonctionnels (Hu et al., 2010).

 Résistance mécanique et flexibilité : Les nanostructures unidimensionnelles présentent une

excellente flexibilité grâce à leur facteur de forme élevé. Lorsque ces nanostructures sont

rassemblées sous forme de nanonet, l’ensemble du réseau est capable d’être soumis à des

déformations mécaniques (Cao et al., 2008) et de s’adapter à la morphologie du substrat (Ternon

et al., 2013).

 Tolérance à la faute et reproductibilité : Pour des dispositifs électriques, la conduction dans un

nanonet est assurée par de multiple chemins de percolation qui relient les deux contacts. Même

si un chemin venait à être défectueux, d’autres chemins de conduction subsistent et peuvent

garantir la fonctionnalité du dispositif (Grüner, 2006). Par ailleurs, les propriétés macroscopiques

du nanonet sont la résultante d’un nombre considérable de nanostructures, ce qui permet de

lisser les disparités qui peuvent exister d’un NF à un autre. Par conséquent, les propriétés des

nanonets présentent une meilleure reproductibilité que des dispositifs à NF unique comme a pu

le montrer Pauline Serre durant ses travaux de thèse (Serre, 2014; Serre et al., 2015a).

 Possibilité de fonctionnalisation : Comme pour les films minces, les nanostructures composant le

nanonet peuvent être fonctionnalisées avec par exemple des molécules ou des protéines.

Les nanonets présentent des avantages incontestés grâce à la combinaison astucieuse des propriétés

intrinsèques des nanostructures avec celles du nanonet. Selon Zhao et Grüner, la morphologie

« nanonet » peut être considérée comme une quatrième phase de matériau, venant s’ajouter aux

structures monocristalline, polycristalline et amorphe (Zhao and Grüner, 2012). La flexibilité dans le choix

des nanostructures et la structure unique du réseau laissent imaginer un large spectre applicatif pour les

nanonets comme nous allons le voir dans la partie suivante.

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Dans le document Conception, étude et modélisation d’une nouvelle génération de transistors à nanofils de silicium pour applications biocapteurs (Page 39-42)