STRUCTURE ET DÉFAUTS DES NANOTUBES Pascale Launois Laboratoire de Physique des Solides (UMR CNRS 8502), Bât. 510 Université Paris Sud, 91 405 Orsay CEDEX, FRANCE [email protected]http://www.lps.u-psud.fr/Collectif/gr_23/themes/fullnano/en_fullnano.htm http://www.lps.u-psud.fr/Utilisateurs/launois/ PLAN 1. Nanotubes de carbone Structure Défauts Arrangement Autres nanofilaments 2. Nanotubes hétéroatomiques
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STRUCTURE ET DÉFAUTS DES NANOTUBES...STRUCTURE ET DÉFAUTS DES NANOTUBES Pascale Launois Laboratoire de Physique des Solides (UMR CNRS 8502), Bât. 510 Université Paris Sud, 91 405
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STRUCTURE ET DÉFAUTS
DES NANOTUBES
Pascale Launois
Laboratoire de Physique des Solides (UMR CNRS 8502), Bât. 510
Ph. Lambin et al., A. Fonseca et al., Chem. Phys. Lett. 245, 85 (1995) Synth. Met.77, 235 (1996)
(12,0)/(11,0) (8,0)/(7,1)métal-semiconducteur métal-semiconducteurjonction droite angle de courbure: 12°
J. C. Charlier et al., L. Chico et al., Phys. Rev. B 53, 11108 (1996) Phys. Rev. Lett. 76, 971 (1996)
Images de
Ph. Lambin
Diode
Z. Yae, H.W. Ch. Postma, L. Balents and C. Dekker, Nature 402, 273 (1999)
Semiconducteur-métal
Cours « Nanoélectronique », R. Martel
Défaut de Stone-Wales
A.J. Stone and D.J. Wales, Chem. Phys. Lett. 128, 501 (1986)
4 hexagones ⇔ 2 pentagones et 2 heptagonespar rotation de π/2 d’une liaison C-C
Au-delà d’une certaine tension, le NT relaxe par la formation de
défauts de Stone-Wales
M.B. Nardelli, B.I. Yacobson and J. Bernholc, Phys. Rev. B 57, 4277 (1998)
Pptés mécaniques Cours « pptés mécaniques des NTs individuels », J.P. Salvetat
Mécanismes de croissance
Cours : « mécanismes de croissance des NTs de C monofeuillet », A. Loiseau, « simulations numériques des mécanismes de croissance », X. Blase et J.C. Charlier
A. Maiti, C.J. Brabec & J. Bernholc,Phys. Rev. B 55, 6097 (1997)
Lacunes (crées par irradiation…)=> coalescence
M. Terrones et al.,Science 288, 1228 (2000)
Cours « pptés électroniques des NTs carbonés »,J.C. Charlier
Dopage B,N => NTs tous conducteurs
Cours « pptés électroniques des NTs mixtes et non-carbonés », X. Blase
Arrangement : fagots de NTs monoparois, NTs multiparois
FAGOTS
a
a=2Rtube+3.2Å≈17Å
pour Rtube~7Å
(a),(b) : A. Thess , R. Lee, P. Nikolaev, H. J. Dai, P. Petit, J. Robert, C. H. Lee, S. G. Kim, G. Rinzler, D. T. Colbert, G. E. Scuseria, D. Tomanek, J. E. Fischer, and R. E. Smalley , Science 273, 483 (1996)
(c) : L. Henrard, A. Loiseau, C. Journet, P. Bernier,Eur. Phys. J.B 13, 661 (2000)
(a)
(b)
(c)
10-200 NTs
Globalement, les fagots peuvent se vriller ou se courber (comme les NTs). Mais nous nous intéressons ici au désordre intrinsèque.
Désordre: dans un même fagot, nanotubes de diamètres voisins mais d’hélicités différentesL. Henrard, A. Loiseau, C. Journet, P. Bernier, Eur. Phys. J.B 13, 661 (2000)
Le nombre d’angles chiraux différents est souvent plus petit que celui de tubules
cours « transport quantique dans les NTs: théorie », S. Roche
Commensurabilité : périodes Ti (selon l’axe du tube) des différentes parois = rapports rationnels
z (Å))
Les circonférences des cylindres successifs diffèrent de 2πd (d~0.34nm)⇒ une paroi contient une dizaine de lignes d’hexagones de plus que celle juste avant⇒ l’empilement ne pourra pas être le même
selon tous les générateurs du cylindre
(5,5) @ (10,10)
Arrangement dans les nanotubes multiparois
PLAN
1. Nanotubes de carbone
Structure
Défauts
Arrangement
Autres nanofilaments
2. Nanotubes hétéroatomiques
NTs en fagots – hélicités des tubes
NTs multiparois - commensurabilité
Pptésélectroniques
AUTRES NANOFILAMENTS DE CARBONE
Nanotubes multiparois : poupée russe ou feuille de graphène roulée?
O. Zhou et al., Science 263, 1744 (1994)
W. Ruland et al.,Carbon 41, 423 (2003)
-une seule chiralité
- dans certaines conditionsde croissance particulières?
La « majorité »
NTs multiparois
M. Liu and J.M. Cowley, Ultramicroscopy 53, 333 (1994)
NTs monoparois en fagots, sous pression
J. Tang, L.C. Qin, T. Sasaki, M. Yudasaka, A. Matsushita and S. Iijima, Phys. Rev. Lett. 85, 1887 (2000)
S. Rols, I.N. Goncharenko, R. Almairac, J.L. Sauvajol and I. Mirebeau,Phys. Rev. B 64, 153401 (2001)
M.H.F. Sluiter, V. Kumar and Y. Kawazoe,Phys. Rev.B 65, 161402 (2002)
Composés lamellaires (2D) : - liaisons chimiques satisfaites dans les couches, qui sont donc assez stables- inter-couches : vdW- bords des couches : très réactifs
NTs de carbone => NTs formés à partir d’autres composés lamellaires que le graphite
1 feuillet = 1 plan moléculaire : C, BN, BxCy Nz
1 feuillet= plusieurs plans d’atomes liés chimiquement les uns aux autres: MX2 (M=métal, X=S ou Se)
∃ des NTs obtenus à partir de composés non lamellaires; ex. TiO2
NANOTUBES DE NITRURE DE BORE (BN)
C hexagonal BN hexagonal
Prédiction de l’existence NTs BN: A. Rubio et al., Phys. Rev. B 49, 5081 (1994); X. Blase et al., Europh. Lett. 28, 335 (1994)1ères observations : 1995
R.S. Lee, J. Gavillet, M. Lamy de la Chapelle, A. Loiseau, J.-L. Cochon, D. Pigache, J. Thibault, R. Willaime, Phys. Rev. B 64, 121405 (2001)
Φ≈1.5nmFagots d’environ 10 NTs
monoparois
multiparois
N.G. Chopra, R.J. Luyken, K. Cherrey, V.H. Crespi, M.L. Cohen, S.G. Louis and A. Zettl,Science 269, 966 (1995)
Φint~1-3nmΦext~6-9nmdistance entre parois~0.3nm
Nanotubes BN et C : différences
« Sélection » de l’hélicité (zig-zag favorisé)Cours « microscopie électronique de haute résolution des NTs », J. Thibault et A. LoiseauCours « simulation numérique des mécanismes de croissance », X. Blase et J.C. Charlier
Liaisons BB, NN : défavorisées énergétiquement / liaison BN⇒ Pas de pentagones
mais rectangles B2N2
R.S. Lee et al.,
Phys. Rev. B 64,
121405 (2001)
Fermeture abrupte
Défauts, fermeture
F. Jensen et al., Chem. Phys. Lett.201, 89 (1993)
Nanotubes CxByNz
O. Stephan, P.M. Ajayan, C. Colliex, Ph. Redlich, J.M. Lambert, P. Bernier and P. Lefin., Science 266, 1683 (1994)
C; BN; BC3; BC2N
Cours « propriétés électroniques des NTs mixtes et non-carbonés », X. Blase
BC2N
CalculsY. Miyamoto et al.,Phys. Rev. B 50,
18360 (1994)
A2
Conducteurou semi-conducteur
selon (n,m)
semiconducteur
NANOTUBES WS2
WS2 : composé lamellaire où un feuillet=une couche W entre 2 couches S
NT monoparoi: décrit conceptuellement par l’enroulement d’une portion de feuillet (1 couche: C, BN; 3 couches: MX2) définie par le vecteur C=na1+ma2(n,m) => rayon, période et hélicité du nanotubes
En résumé/conclusion…
Composés lamellaires => NTs : C, BN, MX2 …
HélicitéNT monoparoi
C BN MoS2
Toutes hélicités préférence zig-zag (n,0) 1 article:Comment sélectionner? armchair (3,3)