Synthèse contrôlée de nanotubes de carbone millimétriques verticalement alignés par CVD

L'engouement de développer des matériaux durables et abondants pour le transport de l'énergie électrique, stimulée par l'électrification des transports et l'expansion des technologies numériques, positionne les nanotubes de carbone (NTC) comme des substituts prometteurs aux métaux traditionnels tels que le cuivre. Grâce à leur faible masse volumique, à leur résistance mécanique exceptionnelle et à leur conductivité électrique intrinsèques élevée, les fils NTC sont des candidats idéaux, bien que leur conductivité macroscopique actuelle (de 10⁶ à 10⁷ S/m) demeure similaire à celle des fils de cuivre (5,8.10⁷ S/m) : un écart principalement attribué à la longueur limitée des nanotubes individuels et à la qualité des interconnexions entre eux. C'est pourquoi l'objectif fondamental de ce travail de thèse a été d'étudier le mécanisme de croissance par dépôt chimique catalytique en phase vapeur (CCVD) afin de synthétiser des NTC millimétriques verticalement alignés (VACNT) avec reproductibilité. La démarche expérimentale a débuté par l’étude du précurseur de catalyseur en solution : une solution colloïdale de nanoparticules (NP) d'oxyde de fer de différentes tailles (3 nm à 20 nm), déposé par spin-coating sur un substrat de silicium, et mettant en lumière par des études in-situ la coalescence des NP à partir de 500 °C au microscope électronique à transmission. Un travail a été mené dans un four tubulaire pour évaluer l'impact précis de l'hydrogène, du précurseur catalytique et de la source de carbone. Afin de prolonger significativement la hauteur des forêts, passant de 610 µm à 8 mm, l'introduction du ferrocène (Fc), complexe agissant potentiellement comme source de carbone et catalyseur, a été explorée. L'optimisation des paramètres de synthèse, notamment par l'ajustement de la quantité de ferrocène, a permis d'atteindre la synthèse de forêts de NTC de 8 mm en 3 heures. En parallèle, l'utilisation d'un four à induction, offrant un chauffage ultrarapide et localisé, et combinée au ferrocène, elle a permis la synthèse de forêts de NTC atteignant 7 mm en une heure. Les paramètres critiques, incluant les conditions de dépôt des NP, la température, les ratios carbone/catalyseur et la composition gazeuse, ont été systématiquement étudiés pour élucider les réactions en phase gazeuse et proposer un mécanisme de croissance par la base.