Mise en suspension

Su sp en si o n d e n an o tu b es Su b strat Dép ô ts d e n an o tu b es Rési stan c e ch au ffan te Pu l véri sateu r + Su sp en si o n d e n an o tu b es Su b strat Dép ô ts d e n an o tu b es Rési stan c e ch au ffan te Pu l véri sateu r + Su sp en si o n d e n an o tu b es Su b strat Dép ô ts d e n an o tu b es Rési stan c e ch au ffan te

Fig. 2.3.12 – Schéma de principe de la méthode de dépôt des nanotubes.

2.3.4 Mise en suspension

L’éthanol et le méthanol ne permettent pas une bonne mise en suspension des nanotubes, dans le sens où les nanotubes restent agrégés en cordes, ce qui fait qu’il est impossible d’observer un signal de photoluminescence sur ces échantillons (voir ref. [41], et chapitres 3 et 4) . Afin d’effectuer des expériences de photoluminescence, nous avons effectué des mises en suspension plus élaborées qui nous permettent d’avoir des nanotubes isolés les uns des autres. Pour ce faire, nous avons utilisé deux types de solvants : D2O + SDS (eau lourde plus un surfactant très commun(SDS)) et le N-Méthyl-Pyrolyidonne (NMP). On utilise l’eau lourde plutôt que l’eau pour des raisons de transparence dans l’infrarouge. Mise en micelles

Afin d’isoler les nanotubes les uns des autres, nous les avons placés dans des micelles (agrégat colloïdal de molécules amphiphiles (surfactant)). L’objectif de l’expérience est d’obtenir une suspension de nanotubes où chaque nanotube est isolé dans une micelle et où il ne reste pas de cordes de nanotubes. Pour ce faire, nous nous sommes largement inspirés de la méthode décrite dans la référence [41]. Le solvant utilisé est l’eau lourde (D₂O). Pour former des micelles, on ajoute 1% en masse de sodium dodécyl sulfate (SDS). On ajoute les nanotubes de carbone afin d’obtenir une concentration de l’ordre de 0, 1 mg.mL−1. La suspension est placée dans un bain à ultrasons durant 3h30. Le traitement aux ultrasons permet

de séparer les nanotubes les uns des autres et permet la formation des micelles. La

Fig. 2.3.13 – Nanotubes inclus dans des micelles. A)Nanotube unique dans une micelle B)Corde de nanotubes dans une micelle. La masse volumique d’un nanotube unique dans une micelle est de ∼ 1 g.cm−3. Celle d’une corde de nanotubes dans une micelle est de ∼ 1, 2 g.cm−3 [41].

suspension contient alors des nanotubes uniques isolés dans une micelle, ainsi que des cordes de nanotubes isolées dans une micelle (figure 2.3.13). D’autre part, si nous travaillons avec le matériau brut, la suspension contient aussi des particules de catalyseurs et du carbone amorphe. Un nanotube unique dans une micelle a une masse volumique de ∼ 1 g.cm−3 alors qu’une corde de nanotubes dans une micelle a une masse volumique de ∼ 1, 2 g.cm−3. Les particules de catalyseurs ont des masses volumiques comprises entre 2 g.cm−3 et 3 g.cm−3. Ces masses volumiques ont été obtenues à l’aide de simulations de dynamique moléculaire [41, 85–87]. La suspension est alors soumise à une étape de centrifugation, afin de séparer les micelles contenant un nanotube unique des autres constituants. Les micelles contenant un nanotube unique se trouvent dans la partie haute du tube de centrifugation. L’étape de centrifugation se fait à 122000 g et pendant 4h00 comme décrit dans la référence [41]. A la fin de l’étape de centrifugation, les 200 premiers microlitres sont prélevés (sur un volume de 1 mL). On doit obtenir alors une suspension ne contenant que des nanotubes uniques inclus dans une micelle (figure 2.3.13 A). Les suspensions ainsi obtenues sont très stables.

Nous n’observons pas de floculation avant plusieurs semaines voire plusieurs mois. Cependant, il est difficile, avec les moyens dont nous disposons, de caractériser précisément les échantillons. En particulier, il est impossible d’affirmer qu’il ne reste plus aucune corde de nanotubes dans la suspension, ou même d’autres constituants. Nous verrons cependant au chapitre 3 que l’existence d’un signal de photoluminescence est un moyen efficace de caractérisation.

Mise en suspension dans le NMP

Une autre possibilité consiste à remplacer le mélange D2O + SDS par le N-Méthyl-Pyrrolidone (NMP). Nous utilisons le NMP car ce solvant organique est connu comme étant un bon solvant pour les nanotubes [80], même si à l’heure actuelle, aucune étude n’explique pourquoi les nanotubes se mettent facilement en suspension dans le NMP et pas dans d’autres solvants organiques. En effet, d’autres solvants organiques ayant a priori les mêmes caractéristiques que le NMP sont nettement moins efficaces pour réaliser des suspensions de nanotubes.

Fig.2.3.14 – Image AFM de nanotubes V90 déposés sur un substrat en silicium après mise en suspension dans le NMP.

s’agit d’obtenir une suspension de nanotubes de carbone uniques isolés les uns des autres. On ajoute une quantité de nanotubes telle que la concentration finale soit de l’ordre de 0, 1 mg.mL−1. La suspension est ensuite placée durant 9h dans un bain à ultrasons à faible puissance. Nous pouvons caractériser la suspension en effectuant un dépôt sur un substrat de silicium et faire une image AFM du dépôt. Cela nous permet de contrôler que la mise en suspension dans le NMP donne naissance à des échantillons essentiellement constitués de nanotubes isolés les uns des autres (image 2.3.14).

Afin de supprimer les éventuelles cordes de nanotubes restantes, nous effec-tuons une étape de centrifugation à 30000 g durant 4h00. La mise en suspen-sion des nanotubes dans le NMP est relativement stable, mais moins que dans D2O − SDS, puisqu’on voit apparaître une floculation au bout de quelques jours ou de quelques semaines.