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​Nano-objets à base de carbone: des matériaux aux multiples propriétés pour des applications très diversifiées

Nano objets

Publié le 6 octobre 2016

Le Liten effectue des recherches sur les matériaux carbonés, c’est-à-dire le graphène et les nanotubes de carbone, depuis 2000. Son cœur d’activité repose sur l’élaboration même de ces matériaux. Ainsi nous savons  notamment fabriquer des nanotubes de 4 à 5 nanomètres de diamètre, sur 1 mm de long ; le matériau obtenu par catalyse a l’avantage de donner naissance à des tubes de même caractéristiques (longueur, diamètre, structure) qui peuvent être utilisés pour des électrodes de batteries, des capteurs destinés à des applications microélectroniques, ou des connexions pour circuits électroniques. Ils offrent des propriétés intéressantes en termes de conductivité, de semi-conductivité, de souplesse, de résistance.

Moins coûteux et plus efficaces que d’autres matériaux, les nano-objets peuvent se révéler des alternatives économiques et performantes aux techniques en vigueur dans plusieurs domaines d’activités :

  • ​Le graphène, monocouche atomique de graphite, intéresse de nombreuses applications car la couche est transparente et conductrice. Compte tenu de sa structure atomique et de son caractère bidimensionnel, la mobilité des électrons dans la feuille de graphite est extrêmement grande, ce qui induit une très bonne conductivité. Un aspect essentiel pour beaucoup d’applications en électronique. Ce matériau peut donc potentiellement servir pour faire des couches minces conductrices, par exemple pour remplacer l’oxyde d’indium utilisé dans les écrans tactiles ou les cellules solaires, dont les ressources sont limitées sur la planète.
  • Les nanotubes de carbone, qui sont l’équivalent d’une feuille de graphène roulée sur elle-même, présentent des propriétés conductrices ou semi-conductrices exceptionnelles selon l’arrangement atomique à la surface. Des études envisagent d’utiliser ces nanotubes pour fabriquer une nouvelle génération de composants électroniques, remplaçant le silicium. L’évolution de la microélectronique dans ces dernières décennies a en effet principalement porté sur la diminution de la taille des transistors, générant de nouvelles contraintes technologiques. Une possibilité d’évolution de la microélectronique est donc de gagner une troisième dimension. Pour cela, il faudrait être capable de réaliser en volume des transistors connectés, ce qui n’est pas possible avec le silicium mais pourrait le devenir avec le graphène et les nanotubes de carbone.

Le Liten a déjà développé des nanotubes pour des batteries lithium-soufre mises au point en interne. Ces matériaux, fabriqués sous forme de tapis de nanotubes, présentent un taux de porosité important : les nanotubes poussent perpendiculairement aux surfaces pour constituer des électrodes dans lesquelles est inséré et dessorbé du soufre de façon réversible, sans endommager les structures. Les nanotubes permettent de réaliser des batteries à capacité de stockage bien supérieure aux autres solutions existantes : là où une batterie lithium-ion a une capacité d’une valeur théorique de 450 mAh/g, une batterie lithium-soufre offre une capacité de 1 600 mAh/g.

Le Liten s’emploie désormais à fabriquer des fils conducteurs à base de nanotubes de carbone pour réaliser des conducteurs macroscopiques offrant une forte conductivité électrique, tout en étant ultra légers. Ces câbles pourraient trouver des applications dans l’aviation notamment et permettre des économies de consommation d’énergie. En outre, le cuivre et l’aluminium étant de plus en plus onéreux, leur remplacement par des conducteurs en métaux à base de carbone présente un intérêt économique évident.

A noter également que les nanotubes, utilisés comme charge pour rendre conducteurs des matériaux qui ne l’étaient pas, tels que des polymères, permettent d’utiliser une quantité de carbone bien inférieure au noir de carbone, ce qui évite de dégrader les propriétés des polymères. De plus, grâce à leur propriété anticorrosion, ils se révèlent des additifs intéressants pour augmenter les propriétés de durabilité. Ils permettent aussi d’obtenir des matériaux souples et très résistants (10 fois plus que les aciers), qui offrent une très bonne conductivité thermique.

Pour mener à bien ces travaux, le Liten s’appuie sur de nombreuses compétences métiers : physico-chimie (pour la croissance des nanotubes), procédés d’intégration des nano-objets dans les composants (lithographie), caractérisation (électrique, spectre raman). Les études fines de compréhension sont menées notamment sur la plateforme de nanocaractérisation du CEA.  

AVANTAGES

Elaborer des matériaux d’avenir améliorant les performances techniques et économiques

  • L’utilisation des nanomatériaux ouvre la voie à de multiples applications dans le domaine de l’énergie, de l’électronique et de la microélectronique.
  • Grâce à sa capacité à fabriquer des nanotubes de structures variées, le Liten  peut concevoir les matériaux qui par ajout ou substitution permettent d’obtenir de nouvelles propriétés.
  • L’utilisation de nanotubes ou fils conducteurs à base de nanotubes représente une source d’économies d’énergies. Elle est susceptible de résoudre des problématiques techniques dues à la miniaturisation des circuits électriques et de pallier la pénurie de métaux rares et coûteux.


PROJETS

Le Liten travaille en partenariat avec Intel sur les interconnexions. L’enjeu est de remplacer le cuivre, qui compte tenu de la miniaturisation des composants microélectronique pose des problèmes de fiabilité et de performances. La diminution de la taille conduit à l’augmentation de la densité de courant dans les circuits, ce qui pose des problèmes de dégradation de la conductivité et de fiabilité à cause des phénomènes d’électro-migration dans le cuivre. Au contraire, les nanotubes de carbone peuvent supporter des densités de courant bien supérieures (environ 1 000 fois plus de courant que dans un système équivalent en cuivre). Il s’agit de recherches amont, encore loin de la phase d’application.

Le Liten est impliqué dans plusieurs projets européens :

  • Grafol : Il vise la production à grande échelle de graphène par la méthode R2R (roll to roll), à savoir le traitement au défilé, une méthode de fabrication de masse qui permet de traiter des matériaux flexibles en grande surface.
  • Gladiator FP7 NMP : Ce projet cherche à améliorer la qualité et la taille des feuilles de graphène produites par la décomposition catalytique à haute température d’un gaz carboné sur un métal (CVD), à réduire leur coût de production pour rendre son utilisation plus attractive dans des applications électroniques.
  • ​Connect H2020 : Il a pour objet la fabrication de composites cuivre-nanotubes pour des applications de circuits de microélectronique. Les résultats récents ont montré qu’en disposant du bon composite, il est possible de conserver la conductivité du cuivre en augmentant fortement la capacité de courant. Cela pourrait repousser d’un facteur 100 les limites d’électro-migration.

REPERES
  • 4 personnes .
  • Une douzaine de brevets

Publications :

 X. Joyeux, S. Ammar, J. Dijon, J. Pinson, « Growth of carbon nanotubes through selective deposition of nanoparticles », J. Mater. Chem., 2010, 20, 7197–7200

 J. Dijon, « Horizontal carbon nanotube interconnects for advanced integrated circuits », invited paper MRS spring meeting Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 1559 © 2013 Materials Research Society DOI: 10.1557/opl.2013.

HoKwon Kim, Olivier Renault, Anastasia Tyurnina, Jean-Pierre Simonato, Denis Rouchon, Denis Mariolle, Nicolas Chevalier, and Jean Dijon, « Doping efficiency of single and randomly stacked bilayer graphene by iodine adsorption », Applied Physics Letters 105, 011605 (2014); doi: 10.1063/1.4889747

Hoël Guerin, Hélène Le Poche,  Roland Pohled, Elizabeth Buitrago,Montserrat Fernández-Bola˜nos Badíaa, Jean Dijon, Adrian M. Ionescu, « Carbon nanotube gas sensor array for multiplex analytediscrimination », Sensors and Actuators B 207 (2015) 833–842

S. Liatard, K. Benhamouda A. Fournier, R. Ramos, C. Barchasz and J. Dijon, « Vertically-aligned carbon nanotubes on aluminium as a light-weight positive electrode for lithium-polysulfide batteries », Chem. Commun., 2015,51, 7749

A. Arun, H. Le Poche, T. Idda, D. Acquaviva, M. Fernandez-Bolanos Badia, P. Pantigny, P. Salet and A.M. Ionescu, « Tunable MEMS capacitors using vertical carbon nanotubes arrays grown on metal lines », Nanotechnology 22 (2011) 025203 1-9

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