Les nanotubes de carbone

Des MEMS aux NEMS 

Depuis un certain nombre d’années, de nouveaux matériaux, dit nano‐matériaux, ont fait leur apparition dans les applications électroniques dont celles dédiées aux hyperfréquences. Ces nano matériaux sont très nombreux, on peut citer entre autres:
‐ les nanotubes de carbone (NTC) ou de nitrure de bore,
‐ les nano particules métalliques,
‐ les nano‐poudres de céramiques,
‐ les nano‐feuilles de verres,
‐ les nano‐cristaux,
‐ les nano‐composites.

Ces nanomatériaux sont utilisés dans un grande nombre de domaines de la science, par exemple les nano‐composites seront plutôt appliqués aux domaines nécessitant des matériaux ayant de grandes propriétés de dureté ou de résistance à l’usure, alors que les nano‐feuilles de verres sont des candidats idéaux pour la technologie de disque optique où leur utilisation engendrait un stockage de données sur disques jusqu’à 4 fois plus élevés que les technologies actuelles. Nous allons discuter ici de ceux qui permettent d’obtenir des systèmes de plus en plus miniaturisés tout en gardant, voire en augmentant, les fonctions dédiées à l’électronique des systèmes de télécommunication sans fils. En effet, si on cible la technologie MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) qui consiste à activer par divers moyens une poutre ou un pont de taille micrométrique afin de remplir des fonctions capacitives, inductives ou résistives, entre autres ; l’arrivée de ces nanomatériaux permet l’introduction des NEMS (Nano ElectroMechanical Systems) dont les mêmes fonctions sont réalisées par des éléments (poutres ou ponts) de taille dite nanométrique et qui permettent d’obtenir divers gains notamment en degrés de miniaturisation mais aussi en puissance consommée, en rapidité de fonctionnement ou en durée de vie. Les moyens d’activation de tels composants sont :
‐ L’activation électrostatique,
‐ L’activation magnétostatique,
‐ L’activation électrothermique,
‐ L’activation piézo‐électrique.

Les nanotubes de carbone

La découverte des nanotubes de carbone

La découverte des nanotubes de carbone est principalement attribuée à Sumio Iijima, un chercheur de NEC au japon, en 1991. Toutefois il existe dans la littérature des articles faisant apparaître ces nanotubes dès 1952. En effet les professeurs russes Radushkevich et Lukyanovich ont publié des images claires de tubes de carbone d’environ 50 nanomètres de diamètre dans le Journal of Physical Chemistry (soviétique) [1] (figure 1). Cette découverte ne s’est pas répandue, l’article étant publié en URSS, les scientifiques de l’ouest ayant de plus un accès restreint aux publications soviétiques durant la guerre froide. On peut assurément penser que des nanotubes de carbone furent produits bien avant cette date, mais c’est seulement à partir de cette date que l’invention du microscope électronique en transmission (MET) permit une visualisation directe de ce type de structures.

En 1976, un français, le Pr Oberlin et un japonais, le Pr. Endo ont même obtenu par croissance CVD des fibres de carbone creuses. De plus, ils ont publié des images MET d’un nanotube constitué d’un seul feuillet de graphène. Plus tard, le Pr Endo a expliqué qu’il y avait en fait un nanotube mono‐feuillet ou SWNTC (Single Wall Carbon Nanotube) .

Si Sumio Iijima a largement contribué au développement de la nanotechnologie basée sur les nanotubes de carbone, notamment en démontrant pour la première fois leurs fascinantes propriétés électriques, il n’est donc pas celui qui les a découverts. Mais sans lui l’actuel engouement de cette technologie n’aurais peut être pas vu le jour, en cela il peut être grandement remercié.

Les différents types de nanotubes de carbone 

On sait donc qu’un nanotube de carbone résulte de l’enroulement d’une ou plusieurs feuilles de graphène sur elles‐mêmes. Dans le cas où il n’y a qu’une seule feuille de graphène, on obtient un nanotube mono‐feuillet ou SWCNT (Single Wall Carbon Nanotubes). Dans le cas contraire où plusieurs feuilles de graphène se sont enroulées sur elles‐mêmes et ont donc donné un tube constitué de plusieurs tubes imbriqués concentriquement les uns dans les autres (modèle de la poupée russe), on obtient ce qu’on appelle un nanotube multi‐ feuillets ou MWCNT (Multi Wall Carbon Nanotube) .

Il existe donc deux types de nanotubes de carbone : les mono‐feuillets et les multi‐ feuillets. De plus, il vient s’ajouter différents types d’enroulement que l’on peut décrire avec le vecteur de chiralité. Un plan de graphène possède une structure de type « nid d’abeille », c’est‐à‐dire qu’elle est formée par une succession périodique d’hexagones de carbone (benzène) de vecteurs de base a1 et a2. Le vecteur de chiralité est alors défini comme étant le vecteur d’enroulement du nanotube. Ce vecteur de chiralité est décomposé selon les deux vecteurs a1 et a2 formant la base du graphène.

En fonction du couple (m, n) il résulte trois types de nanotubes de carbone :
‐ Les nanotubes Armchair : défini par n=m,
‐ Les nanotubes Chiraux : définis par n≠m≠0,
‐ Les nanotubes Zig‐zag: définis par n=0.

Les propriétés mécaniques des nanotubes de carbone

Des études théoriques puis expérimentales ont montré que les NTC possèdent d’excellentes caractéristiques mécaniques. Le module d’Young d’un tube multi‐feuillets a été calculé [5] comme étant jusqu’à 1,4 fois plus important que celui du graphite (environ 1 TPa) et des mesures ont été réalisées à partir de la fréquence de vibration thermique de NTC dans un microscope électronique en transmission, conduisant à des valeurs comprises entre 0,4 TPa et 3,7 TPa [6]. La valeur moyenne est de 1,8 TPa, ce qui est bien supérieur aux fibres de carbone commerciales (de l’ordre de 800 GPa). Une étude plus récente réalisée par Wong et al. [7] à l’aide d’un microscope à force atomique a permis de mesurer un module de Young moyen d’environ 1,28 TPa, indépendamment du diamètre du tube. Malgré leur grande rigidité, les nanotubes de carbone se plient au‐delà d’une certaine contrainte : l’observation directe en haute résolution au microscope électronique en transmission (MET) met immédiatement en évidence leur extraordinaire flexibilité [8]. Par exemple la courbure semble en effet entièrement réversible jusqu’à un angle critique qui atteint 110° pour un tube mono‐feuillet [9]. Les nanotubes exhibent donc des propriétés mécaniques uniques. Leur grande flexibilité associée à un module d’Young élevé leur confèrent un comportement que certains n’hésitent pas à décrire comme étant un comportement super élastique. Au niveau des NEMS (Nano electromechanical system ou système électromécanique nanométrique) les nanotubes de carbone permettent d’obtenir des systèmes non seulement résistants, donc présentant d’excellentes durées de vie, mais aussi facilement actionnables. Ce sont donc vraiment des candidats idéaux pour ce type de fonctions électromécaniques. Toutefois, cela nécessite que trois types de contraintes soient remplis :
‐ Prédire le comportement d’un nanotube en fonction de ces paramètres géométriques afin de concevoir le composant idéal pour telles ou telles applications,
‐ Sélectionner les nanotubes en fonction de leur diamètre et de leur longueur pour l’application requise,
‐ Positionner de manière précise ces nanotubes dans le système en question .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Des MEMS aux NEMS
Introduction
I. Les nanotubes de carbone
1) La découverte des nanotubes de carbone
2) Les différents types de nanotubes de carbone
3) Les propriétés mécaniques des nanotubes de carbone
4) Les propriétés électriques des nanotubes de carbone
5) Les propriétés thermiques des nanotubes de carbone
II. Etat de l’art des nano composants électroniques pour les micro‐ondes
1) Les oscillateurs à base de nanostructure
2) Les diodes
3) Les transistors
4) Les NEMS
a) Les NRAM
b) Les interrupteurs
III. Performances et gains attendus des nanotubes pour les applications hyperfréquences
1) Gain en puissance
2) Gain en puissance RF
3) Gain en rapidité de fonctionnement
4) Gain en durée de vie
IV. Conclusion du chapitre 1
Chapitre 2 : Modélisation multi‐physique des systèmes à base de nanotubes de carbone
Introduction
Partie A : Comportement électromécanique d’un réseau de nanotubes de carbone
I. Du micromètre au nanomètre
1) Facteur d’échelles
2) Phénomènes propres au monde nanométrique
II. Modèle électrostatique
1) Capacité d’un nanotube parallèle à un plan de masse
2) Calcul de la force électrostatique
3) Phénomène et tension de pull‐in
III. Modèle mécanique
1) Modèle mécanique unidimensionnel
2) Déflexion mécanique du nanotube
IV. Adaptation des modèles à l’architecture du composant proposée
1) Simulation électrostatique d’un nanotube au dessus d’un plan de masse
2) Modèle électrostatique d’un nanotube au dessus d’un plan de masse recouvert d’un diélectrique
3) Modèle électrostatique d’un nanotube situé au dessus d’un plan de masse recouvert d’un diélectrique encadré entre 2 murs magnétiques
4) Modèle électrostatique d’un réseau de nanotubes au dessus d’un plan de masse recouvert d’un diélectrique avec prise en compte des effets de bords du réseau
V. Développement d’un logiciel prédictif des performances de NEMS
1) Géométries accessibles et paramètres d’entrée
2) Diagramme de flux
3) Paramètres de programmation
4) Programmation de l’algorithme
5) Validation de notre logiciel
6) Gains et limites de l’algorithme
7) Amélioration des limites de l’algorithme et seconde validation
Partie B : Modélisation électromagnétique de capacités variables
I. Utilisation de notre algorithme pour le dimensionnement de la partie
« NTC »
1) Cahier des charges
2) Zone de dimensionnement et optimisation du pas
3) Optimisation de la capacité parasite due aux interconnexions
II. Modélisation électromagnétique de la partie « interconnexion » d’une capacité variable
III. Conclusion du chapitre 2
Chapitre 3 : Conception de différents composants passifs à base de nanotubes de carbone
I. Fabrication des NEMS‐RF
1) Verrous technologiques
2) Process de fabrication
II. Conception et caractérisation de capacités variables parallèles hyperfréquences
1) Conception et fabrication
2) Caractérisation
III. Conception et caractérisation de capacités variables séries hyperfréquences
1) Conception
2) Caractérisation
IV. Conception d’un déphaseur RF à base de dépôts aléatoires de NTCs en film mince
V. Conclusion du chapitre 3
Conclusion Générale
Référence

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