(À gauche) Illustration du laminage du graphène en NTC de différentes structures, désigné par deux indices, comme (8, 4). (À droite) Images au microscope d'un réseau de NTC d'un diamètre moyen de 1,21 nm. Crédit :IBS
Des recherches pionnières publiées dans La nature par l'équipe du professeur Feng Ding du Center for Multidimensional Carbon Materials, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS), en collaboration avec l'équipe du professeur Jin Zhang, à l'Université de Pékin et ses collègues, a démontré comment contrôler la synthèse de minuscules cylindres de carbone spéciaux appelés nanotubes de carbone (CNT), afin de synthétiser des réseaux horizontaux de NTC avec la même structure.
En raison de leur mécanique exceptionnelle, propriétés électriques et thermiques, Les NTC sont considérés comme une excellente alternative au silicium pour la microélectronique de nouvelle génération. Cependant, puisque les propriétés électroniques des NTC dépendent de la structure, trouver un moyen fiable de synthétiser des NTC de même structure, plutôt qu'un mélange de différents types, ont gardé les scientifiques perplexes au cours des 20 dernières années.
Les NTC ressemblent à des feuilles de graphène enroulées pour former de minuscules tubes, 100, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. En réalité, cependant, aucun laminage n'intervient dans le processus de synthèse, et les NTC se développent généralement à partir de la surface de minuscules particules métalliques, appelés catalyseurs, par dépôt chimique catalytique en phase vapeur. Au-delà d'être une structure d'accompagnement, le catalyseur décompose les molécules d'hydrocarbures en atomes de carbone qui forment les nanotubes de carbone et facilite l'insertion d'atomes de carbone dans le cylindre en croissance. En 2014, Ding et ses collaborateurs ont découvert qu'en utilisant des catalyseurs en alliage métallique solide, comme le W6Co7, peut conduire à la synthèse de NTC avec des structures spécifiques. Dans leur plus récent article, ils ont élargi cette connaissance beaucoup plus loin.
La mesure (a) Raman indique clairement la prédominance des NTC avec le (8, 4) structure dans l'échantillon préparé en utilisant WC comme catalyseurs. (b) L'imagerie par microscopie électronique à transmission (MET) et le diagramme de diffraction électronique des NTC synthétisés ont prouvé que la structure des NTC dominants est (8, 4). Crédit :IBS
Comme dans un jeu de cuirassé où la position des bateaux est définie par deux nombres, la structure des CNT est définie par un couple d'indices. Les scientifiques d'IBS ont découvert qu'ils pouvaient cultiver à la fois des conducteurs (12, 6) et semi-conducteur (8, 4) NTC à très haute sélectivité. Ces structures sont très recherchées pour des applications possibles dans des dispositifs à transistors.
Compte tenu de la symétrie des catalyseurs, la cinétique de croissance des NTC et la taille des particules de catalyseur, les chercheurs pourraient régler la production de NTC vers un type prédominant. Lors de l'utilisation de carbure de tungstène (WC) comme catalyseur, le (8, 4) Les NTC se développent préférentiellement, tandis que si le carbure de molybdène (Mo2C) était utilisé, le (12, 6) la structure était prédominante. "Un catalyseur spécifique peut produire un groupe spécifique de NTC car ils partagent la même symétrie, " explique le Pr Ding. De plus, les NTC se développent en parallèle sur un substrat et peuvent donc être utilisés directement pour des applications de dispositifs.
Le (8, 4) la pureté des NTC a atteint 80-90%, qui est parmi les plus élevés jamais atteints expérimentalement. « Les calculs théoriques démontrent que la sélectivité pourrait être supérieure à 99,9%, indiquant qu'il y a encore une grande marge d'amélioration, " explique le professeur Ding. Après avoir produit des semi-conducteurs (8, 4) tableaux CNT pour la première fois, l'équipe vise à comprendre et contrôler la formation de tous types de nanotubes de carbone, et améliorer la sélectivité à l'avenir.
(a) Comme dans un jeu de cuirassé avec la position en forme d'hexagones plutôt que de boîtes, Les CNT sont définis par deux indices. Ces deux nombres indiquent des structures différentes. Parmi tous les CNT possibles qui peuvent être formés, C'est, un pour chaque combinaison des deux nombres, seuls ceux en bleu correspondent à la symétrie du catalyseur solide sous-jacent (WC, représenté par des boules grises). Ce sont ceux dont les deux indices peuvent être divisés par 4. (b) Alors, selon le taux de croissance, les scientifiques se sont réduits à seulement deux structures de NTC qui pouvaient croître rapidement :le (8, 4) et le (12, 4). Certains CNT, tels que (12, 0) ont été éliminés car leur bord plat ne permet pas l'incorporation rapide d'atomes de carbone. (c) Enfin, les scientifiques ont contrôlé la taille du catalyseur et ont découvert que (8, 4) CNT est celui qui correspond au petit catalyseur. En contrôlant la taille du catalyseur, un seul type de NTC peut être synthétisé, de sorte que la pureté de la matrice résultante s'améliore. (d) Dans cette étude, les scientifiques ont réussi à obtenir 80-90% de (8, 4) NTC avec une petite fraction d'autres types. Théoriquement, Les scientifiques de l'IBS prédisent que, dans des conditions optimales, la pureté du (8, 4) Les NTC pourraient atteindre 99,9 % ou plus. Crédit :IBS
