Les nanodisques/nanocônes de carbone (2D)

Les nanodisques et nanocônes de carbone sont issus de la famille des fullerènes et des nanotubes de carbone. Ils sont constitués de plans de graphène empilés [129, 130] sous forme de nanodisque ou de nanocône respectivement, et sont désormais importants pour la science et les aspects d’ingénierie. En effet, ces matériaux possèdent des propriétés électroniques hors du commun, qui pourraient donner lieu à de nombreuses applications en nanosciences telles que les nanoélectroniques [131], le stockage de l’hydrogène [132] ou les pièges moléculaires [133]. Beaucoup de recherches sont axées sur l’élaboration d’un processus d’auto-assemblage pour fabriquer des nanostructures de carbone avec un angle au sommet pointu pour améliorer leurs propriétés d’émission, comme par exemple les nanocônes de carbone [134]. En outre, une structure de forme conique offre une plus grande stabilité thermique et mécanique qu’une structure étroite cylindrique comme les nanotubes de carbone [135].

Les nanocônes de carbone ont été synthétisés pour la première fois en 1994 par Ge et Sattler [136]. Dans la phase de vapeur chaude de carbone, des cônes ouverts à leurs extrémités dits « open-ended » avec le plus petit angle au sommet ont été observés en simultané avec des fullerènes en forme de cône. En 1997, des cônes « open-ended » avec les cinq angles au sommet possibles (Figure 35) ont été synthétisés par accident [130] par pyrolyse d’huiles lourdes dans un procédé connu sous le nom de « Kvaerner’s carbon black and hydrogen process »[137].

Figure 35 : Images MET haute résolution de cinq formes possibles des nanocônes de carbone synthétisés par Krishnan et al.[130] . La dernière image représente les multicouches de ces nanocônes

La Figure 36 montre une image de microscopie électronique à balayage d’un échantillon brut de ce processus, qui est dominé par des disques plats.

Figure 36 : Image MEB d’un échantillon brut issu du procédé « Kvaerner’s carbon black and hydrogen process » [138].

Les nanocônes obtenus ne peuvent présenter que cinq angles de sommet possibles, conformément à la règle d’Euler. Le théorème d’Euler prévoit la formation d'un fullerène à partir de 12 pentagones disposés dans un réseau hexagonal. Si ce nombre est réduit à 6 pentagones, la structure formée est un nanotube fermé à ses deux extrémités. Pour un nombre de pentagones inférieur, la théorie prévoit la formation de nanocônes. Les cinq valeurs d’angle de sommet possibles sont reprises dans le tableau suivant [139].

Tableau 6 : Caractéristiques des différents types de nanocônes en fonction du nombre de pentagones qui les compose.

Nombre de

pentagones sommet (°) ^{Angle au Type de nanocône}

0 180,0 Feuillet de graphène

1 112,9 Nanocône de 5

ordre

2 83,6 Nanocône de 4

ordre

3 60,0 Nanocône de 3

ordre

4 38,9 Nanocône de 2

ordre

5 19,2 Nanocône de 1

ordre

6 0,0 Nanotube fermé

En 2005, des nanocônes de carbone orientés ont été synthétisés sur un support de silicium en utilisant une méthode mixte combinant la CVD et le plasma par micro-ondes (MP-CVD), avec comme gaz sources H2 et CH4 [140]. Un film de cobalt de 10 nm est tout d’abord déposé sur la plaquette de silicium par dépôt physique en phase vapeur (PVD) afin d’agir comme catalyseur. Le plasma est utilisé pendant 10 minutes avec un débit de H2 de 100 cm3.min-1 pour activer le film de cobalt et donner lieu à des nanoparticules bien dispersées avec une distribution de taille comprise entre 40 et 95 nm. Puis, la plaquette présentant les nanoparticules à la surface a été utilisée pour synthétiser les nanostructures de carbone par MP-CVD à environ 600°C pendant 10 minutes, et en faisant varier le ratio H2/CH4 et la polarisation du substrat. Les caractérisations menées montrent que les nanocônes de carbone formés sont essentiellement constitués de particules de cobalt, de plans de graphène, de graphite désordonné et de silicium et de carbone amorphe.

D’autres méthodes de dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma (PECVD) ont permis d’aboutir à des couches de nanocônes uniformes et alignées, soit sur un support de silicium en utilisant un mélange C2H2/NH3 [141] soit par décomposition du mélange Ar-H2-CH4 catalysé par Ni [142]. De nouvelles nanostructures de carbone en forme de cône ont également été reportées dans la littérature, telles que les nanocônes graphitiques [130, 143], les nanocornes [144], ou les nanopipettes [145]. En utilisant l’électrode de graphite pur comme une cible d’irradiation laser, les nanocornes de carbone (CNH pour carbon nanohorn) dits à simple paroi [144] ont été synthétisés par la méthode de l’ablation laser. Contrairement aux nanotubes de carbone monoparois, les nanocornes de carbone sont

fermés à une extrémité avec un capuchon conique [146] et ont un diamètre typique de 2 à 5 nm [147]. Toutefois les nanocornes de carbone forment généralement des agrégats sphériques avec des diamètres de 50 à 100 nm [148]. D’un point de vue morphologie, les nanocornes de carbone ressemblent à un nanotube ayant une extrémité sous forme de cône, comme l’illustre la Figure 37.

Figure 37 : Représentation schématique d’une nanocorne de carbone (a) et une image MET de ce matériau [149].

Par rapport aux SWCNTs, les CNH présentent des avantages uniques. En règle générale, des particules métalliques sont utilisées en tant que catalyseur pour la production de SWCNT et l’élimination de ces particules métalliques résiduelles peut causer des dommages inévitables aux nanotubes. Les CNHs sont en revanche produits sans catalyseur métallique, ils peuvent donc être synthétisés avec un degré de pureté élevé et un bon rendement [150]. De plus, les CNHs présentent une grande surface spécifique et un large volume de pores [151], pouvant offrir des espaces nanométriques dans lesquels une quantité importante de gaz pourrait être adsorbée, conduisant à des applications comme l’adsorption d’hydrogène [149].