Les Nanotubes de carbone verticalement alignés

2.2. Les Nanotubes de carbone verticalement alignés

Les propriétés physiques des VACNTs sont dépendantes de la méthode de croissance de ces derniers. Il est possible d’utiliser les méthodes de décharge électrique, d’ablation par laser et la méthode de dépôt par voie chimique en phase vapeur (CVD). Cette dernière est préférable car elle permet d’obtenir la meilleure pureté, un excellent alignement des VACNTs et un contrôle des différentes propriétés structurales des VACNTs telles que la longueur, le diamètre et la densité.⁵⁰

Le procédé de croissance par CVD commence par la réalisation d’un dépôt de catalyseur à la surface d’un substrat généralement recouvert d’une couche barrière d’alumine. Après une durée de croissance de quelques secondes à quelques minutes, les VACNTs sont obtenus et

peuvent être observés au microscope électronique à balayage (MEB) (Figure 10).⁴⁹

Figure 10 : Image MEB de VACNTs⁴⁹

L’obtention d’un tapis dense de VACNTs par auto-organisation rend possible la mise à profit de cette structure pour des applications requérant des CNTs alignés. En particulier, cette organisation peut être utilisée pour l’obtention de matériaux d’interface thermique, dont les principales études sont présentées.

2.2.1. Propriétés Mécaniques des tapis de VACNTs

Pour analyser les propriétés des tapis de VACNTs, Qi et al.⁵¹ exposent une mesure par nanoindentation, qui consiste à étudier la courbure des CNTs lors de la pénétration d’une pointe de microscope à force atomique (AFM). La résistance mesurée est due à la courbure successive des VACNTs que rencontre la pointe au fur et à mesure de sa pénétration (Figure 11). Lorsque le nombre de contacts VACNTs / pointe augmente, alors la force nécessaire pour faire pénétrer la pointe devient plus élevée. Par ailleurs, quand la courbure des VACNTs

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se produit, les VACNTs rentrent en contact les uns avec les autres, ajoutant une autre résistance à la courbure.

Figure 11 : Schéma du contact entre la pointe AFM et les nanotubes, a) avant contact, b) au moment du

contact d’un seul nanotube, c) au contact de deux nanotubes⁵¹

Un modèle d’analyse micromécanique de l’enfoncement de la pointe dans les VACNTs est utilisé pour obtenir la rigidité à la flexion des VACNTs à partir des courbes de nanoindentation donnant un rapport de force / pénétration. Ensuite, à l’aide d’une méthode représentant la structure des MWCNTs, sont déterminés le module de flexion collectif, le module axial et le module de paroi. Les valeurs obtenues par Qi et al.⁵¹ sont les suivantes :

- Module de flexion collectif : 0,91-1,24 TPa, - Module axial : 0,9-1,23 TPa,

- Module de paroi : 4,14-5,61 TPa.

Ces valeurs sont similaires à celles mesurées par Wong et al.⁵² et Salvetat et al.⁵³ Ces résultats représentent l’intervention de l’ensemble des CNTs issus de l’environnement de la pointe AFM. Sous forme de tapis, les CNTs permettent le renforcement de leurs propriétés mécaniques par rapport au cas où ils seraient utilisés seuls. Ainsi, dans le cas de l’utilisation de tapis de CNTs, s’il y a la présence d’aspérités à combler, les CNTs peuvent se courber facilement tant que l’ensemble du tapis n’est pas en contact avec le substrat. Puis lorsque le contact est maximal, l’ensemble du tapis de CNTs intervient dans la résistance mécanique et renforce la résistance en pression de l’interface. L’utilisation de tapis de VACNTs semble être une solution prometteuse pour combler les aspérités de surface et renforcer la résistance mécanique des matériaux composites.

2.2.2. Propriété Thermique des tapis de VACNTs

La mesure de la conductivité thermique d’un tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés est relativement complexe. Les résultats des mesures dépendent des méthodes utilisées et des résistances prises en comptes.

Parmi ces méthodes de mesures, Kim et al.¹⁸ ont mesuré la conductivité thermique d’un fagot de nanotubes à 300K à l’aide d’un dispositif de mesure de conductance thermique. Le dispositif est constitué de deux îlots de nitrure de silicium métallisés (une résistance

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chauffante et une résistance de mesure), les CNTs servent de jonctions entre les îlots et à l’aide d’une tension continue appliquée à l’une des résistances, un transfert de chaleur est réalisé entre les ilots (Figure 12). Puis un modèle simple de transfert de chaleur permet d’estimer la conductance des nanotubes.

Figure 12 : Dispositif de mesure de conductance thermique¹⁸

Les valeurs obtenues sont fonction du nombre de VACNTs pris dans le même ensemble dont le diamètre varie de 200 à 80 nm et les mesures sont comprises entre 400 et 2000 W/m.K. A l’aide d’un procédé similaire, Hone et al.⁵⁴ ont réalisé un film d’une épaisseur de 5 µm dans lequel les CNTs ont été alignés à l’aide d’un champ magnétique. Il s’agit d’une forme de buckypaper mais en l’absence de contact entre CNTs. Ainsi, il n’y a pas de diffusion de phonons. Une conductivité thermique de 250 W/m.K a été rapportée pour une température comprise entre 300 et 400K.

Nous observons que l’utilisation de CNTs alignés, en fagots ou sous forme de film, présente une grande conductivité thermique qui est intéressant d’exploiter sous forme de tapis dense de nanotubes de carbone verticalement alignés.

Le Khanh,³ a mesuré la conductivité thermique d’un tapis de VACNTs ayant crû sur un substrat de silicium par une méthode qui permet de mesurer la participation de l’ensemble des CNTs sans nécessiter l’intervention de contacts pour la mesure. Les valeurs de conductivités thermiques des tapis de 1 cm x 1 cm de VACNTs (10 µm de hauteur) rapportées, sont comprises entre 23 et 69 W/m.K. Ces valeurs dépendent de la densité des échantillons et de la chaleur spécifiques des CNTs dont plusieurs valeurs sont rapportées (dans ce cas il s’agit de 1J/g.K,⁵⁵). De plus, il est nécessaire de prendre en compte la résistance de contact VACNTs / substrat de croissance en silicium qui tend à diminuer le résultat final.

Bien que les valeurs de conductivité thermique des VACNTs citées précédemment soient plus faibles que la conductivité thermique des CNTs isolés, il est montré que l’utilisation de ces VACNTs en tant que TIMs peut être envisagée étant donné que leurs conductivités thermiques sont largement supérieures à celles des TIMs commerciaux.

30 2.2.3. Les applications des VACNTs

Grâce à leurs propriétés mécaniques et thermiques, l’utilisation des VACNTs peut être envisagée dans de nombreux domaines d’applications dont les TIMs. Les VACNTs sont également retrouvés dans la fabrication de capteurs et d’actionneurs dans les applications telles que les MEMS (MicroElectroMechanical Systems). Ils sont aussi utiles dans le renforcement de matrices polymères où ils servent de charges permettant d’améliorer les propriétés thermique, mécanique et électrique des composites. De nouvelles électrodes pour la réalisation de batteries⁵⁶ et de supercapacités⁵⁷ sont également à l’étude à l’aide de VACNTs. Les domaines du biomédical^58-59 et de la nanomédecine s’intéressent également aux VACNTs pour leur possibilité à former des biocomplexes avec des molécules comme les protéines, les acides nucléiques et les polysaccharides.

2.3. Les TIMs à base de VACNTs