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II Propriétés électroniques des nanotubes de carbone - orbitales Plusieurs enroulements possibles autour de l'axe générateur (différentes directions)
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14 avr 2015 · Au-delà de la physique et de la chimie, les nanotubes de carbone trope autour des points K, avec une vitesse de Fermi vF (Équation (1 13))
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Alors il y a eu beaucoup d'intérêt autour du nanotube de carbone après sa découverte, parce qu'il a des propriétés tout à fait intéressantes comme c'est une
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MOOC:Comprendrelesnanosciences
3.1c - Les nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone : La définition de nanotube de carbone n'est rentrée que tout récemment dans les
dictionnaires et encyclopédies.Généralement c'est défini comme une longue structure cylindrique constituée d'un enroulement de graphite
ou graphèneAlors en fait, le nanotube de carbone a une particularité, c'est qu'il a un diamètre de quelques nanomètres et
une structure de plusieurs centaines de microns.Donc c'est pour cela que l'on va parler de structure 1D ou unidimensionnelle par opposition ou en parallèle aux
autres structures, aux autres nanostructures carbonées comme les fullerènes qui sont des structures 0D, le
graphène une structure bidimensionnelle 2D, un plan, et le graphite un empilement de plans de graphène donc
une structure tridimensionnelle.Alors il y a eu beaucoup d'intérêt autour du nanotube de carbone après sa découverte, parce qu'il a des
propriétés tout à fait intéressantes comme c'est une structure qui est extrêmement légère.
C'est mécaniquement résistant et dans le cas des nanotubes métalliques, on a une excellente conductivité
électrique.
Alors bien sûr on voit ici un nanotube mono feuillet, donc un diamètre de quelques nanomètres et une longueur
de plusieurs centaines de microns, mais il existe, on produit aussi des nanotubes dits multiparois, donc des
nanotubes concentriques.Là, c'est un exemple de nanotube comportant quatre parois donc il y a quatre nanotubes concentriques qui
peuvent faire plusieurs centaines de microns, et voire, on peut monter jusqu'à 10 parois.Alors, ce qui va définir le nanotube finalement, c'est la façon d'enrouler le nanotube, ce que l'on va définir au
travers de la chiralité.La chiralité, c'est la méthode que l'on va avoir d'enrouler le feuillet du graphène finalement sur lui-même pour
constituer le nanotube.Donc cette chiralité va être définie à partir de la maille cristallographique du graphène de l'hexagone et de
vecteurs A1et A2 et on va définir la chiralité le vecteur de chiralité Cn comme étant n fois le vecteur A1 plus n fois
le vecteur A2.Donc on va distinguer trois grands différents types de chiralité dans les nanotubes de carbone.
Donc si on part du feuillet du graphène et qu'on met des indices sur les atomes de carbone, on va prendre
comme origine l'atome situé au point (0, 0), après vous avez l'atome, quand vous décalez et que vous faites une
fois le vecteur A1 cela va vous faire l'indice (1, 0) etc.Et pareil si vous décalez de deux fois le vecteur A1 et deux fois le vecteur A2 cela va faire l'atome situé à la
position (2, 2).Donc quand on va enrouler nos nanotubes de carbone, et il y a plusieurs façons de les enrouler : la première
c'est de considérer un enroulement type zigzag c'est à dire qu'on va prendre l'atome par exemple qui est situé
aux indices (10, 0) et on va le superposer avec l'atome situé à l'indice (0, 0) et on va se retrouver alors avec un
enroulement zigzag qui va être défini par un vecteur M égal à 0 et N différent de 0.Le deuxième type d'enroulement c'est l'enroulement armchair, c'est lorsque l'on a les deux indices N et M qui
sont égaux, donc par exemple on prend l'atome situé au point (7, 7) que l'on va superposer avec l'atome situé au
point (0, 0) et on va avoir un enroulement armchair.Tous les indices intermédiaires pour M différent de N, on va parler de nanotube d'enroulement chiral.
Donc cette chiralité va définir la façon d'enrouler le feuillet de graphène sur lui-même pour former un nanotube
mais elle est extrêmement intéressante aussi tout simplement par ce qu'elle va donner accès aux propriétés
électroniques d'un nanotube de carbone.
Si vous avez la relation deux fois N plus M est un multiple de trois, le nanotube va être métallique dans tous les
autres cas vous allez avoir des nanotubes semi-conducteurs.Et là, on est face à un des verrous majeur des nanotubes de carbone en ce sens que lorsque l'on produit des
nanotubes de carbone on va produire un mélange de nanotubes semi-conducteurs et métalliques.MOOC:Comprendrelesnanosciences
On n'est pas capable actuellement, on contrôle très très mal la production et, à la fin des batchs de
production, on a ce mélange-là, ce qui est vraiment un verrou majeur pour l'utilisation dans la technologie parce
que notamment si vous utilisez des nanotubes de carbone dans le domaine de l'électronique, il faut avoir des
nanotubes soit semi-conducteurs soit métalliques, on ne peut pas se permettre d'avoir un mélange des deux
propriétés électroniques.Afin de lever ce verrou actuellement en recherche, il y a deux voies qui sont explorées : la première voie consiste
à mieux contrôler la production des nanotubes de carbone, essayer de mieux comprendre comment la
croissance se fait, notamment au niveau des nanotubes de carbone CVD, obtenus via une croissance CVD, et
dans un second cas on peut essayer de séparer les nanotubes après la production c'est-à-dire que l'on
produit les nanotubes toujours de la même manière, on est capables de le faire sur de gros volumes en grande
quantité, et on essaye de séparer les nanotubes en post-production par différentes méthodes notamment par voie
de greffage électrochimique ou centrifugation par séparation suivant leur densité.Donc à partir du moment où l'on sera capable de séparer ces nanotubes, on va être capable ensuite d'utiliser à
plein leur propriétés mécaniques, électroniques dans des applications technologiques notamment encore une fois
au niveau de l'électronique.Pourquoi au niveau de l'électronique, parce que si l'on compare la mobilité des électrons dans les nanotubes et
dans le graphène, en particulier dans les nanotubes, elle est extrêmement élevée dans les nanotubes métalliques
surtout si on la compare à celle du cuivre.Et ils vont conjuguer ces propriétés de conduction des électrons avec une excellente résistance mécanique et
aussi une faible densité.On a aussi une surface efficace qui est assez élevée ce qui peut être intéressant dans le cas de domaines, dans
des applications de filtration, notamment on peut imaginer des membranes de nanotubes de carbone servant à
filtrer des eaux ou d'autres liquides afin de séparer les constituants.