Réalisation d’interconnexions de faible résistivité à base de nanotubes de carbone biparois pour la nanoélectronique

Structure des NTC

 Définition générale

 Les nanotubes de carbone ont en premier lieu été décrits comme des fullerènes allongés. En effet, le passage de la molécule de C60 à celle de C70 se fait en ajoutant une couronne de 5 hexagones de carbone dans le plan équatorial de la molécule. On peut, de même, imaginer des fibres formées par ajout d’un nombre n de couronnes d’hexagones tendant vers l’infini. On obtient alors un nanotube de formule C60+10n. Ce type de tube est dit de type fauteuil (ou plus communément Armchair) (Voir Figure 2). Figure 2 : Définition d’un NTC de type fauteuil à partir d’une molécule de C60 De la même manière, en ajoutant des rangées d’hexagones dans un plan incliné à 45° par rapport au plan équatorial on obtient un nanotube de type zigzag (voir Figure 3) 9 . Figure 3 : Nanotube de carbone de type zigzag. On peut également définir les nanotubes de carbone comme un feuillet de graphène enroulé de façon à former un tube et fermé par 2 demi‐sphères constituées d’hexagones et de pentagones de carbone. En utilisant cette seconde définition, on peut définir précisément un NTC en fonction de la manière dont la feuille de graphène le composant est enroulée. On définit un vecteur nommé vecteur de chiralité, Ch, égal à n.a1 + m.a2 avec m et n deux entiers positifs caractéristiques du tube et a1 et a2 les vecteurs définissant le réseau d’hexagones d’un feuillet de graphène (Voir Figure 4). 18 Figure 4 : Définition du vecteur de chiralité Ch décrivant un NTC à partir d’un plan de graphène. Les vecteurs a1 et a2  sont les vecteurs définissant le plan de graphène. On retrouve alors les 2 cas particuliers Ch= n.a1 et Ch = n.a1 + n.a2 respectivement le type zig‐zag et Armchair. Les nanotubes ne répondant pas à ces critères sont dits chiraux. Le diamètre d’un NTC peut être obtenu par la relation     avec ݀ le diamètre du tube et ܽ la longueur de la liaison C=C dans un NTC, d’environ 1.42 Å. Le diamètre de ce type de nanotube varie ainsi de 0.4 nm pour le plus petit réalisable 18 jusqu’au moins 6 nm pour les plus larges 19.   Le caractère unidimensionnel de la structure cristallographique des NTC est à l’origine de la singularité de leurs propriétés. En effet, alors que le diamètre des NTC est de l’ordre du nm, leur longueur est généralement micrométrique et peut même parfois atteindre le centimètre 20. Ce facteur de forme de 103 à 107 est au cœur de la problématique de l’utilisation et de l’intégration des NTC.  

 Nanotube de carbone simple paroi, double parois, et multiparois

 Bien qu’étant de structure plus simple, les nanotubes de carbones monoparois précédemment décrits (ou Single‐Wall carbon NanoTubes en anglais (SWNT)) n’ont été synthétisés qu’après les nanotubes de carbones multiparois (MWNT, pour Multi Walled NanoTubes). En effet, ce n’est qu’en 1993 que leur synthèse fut rapportée .Les MWNT sont constitués de nanotubes de carbone coaxiaux dont le nombre peut varier de 2 pour le cas particulier des DWNT (Double‐Walled NanoTubes) à plusieurs dizaines. Les MWNT sont synthétisés plus facilement que les SWNT et peuvent être obtenus sans catalyseur. La distance entre les différents tubes concentriques est, environ, de 3,4 Å 23. Cette distance tube‐tube varie légèrement en fonction du diamètre du tube pour atteindre la valeur de 3,44 Å 24. La distance séparant deux parois dépend de la chiralité des tubes. On peut ainsi voir dans la   19 Figure 5 qu’un grand nombre de couples de tubes de différentes chiralités sont favorisés énergétiquement. Les DWNT les plus stables vont avoir une distance tube‐tube comprise entre 3.3 Å et 3.5 Å 25. Figure 5 : Energie potentielle induite par les forces de Van der Walls par chaque atome en fonction de la distance inter tubes d’un DWNT. Chaque point représente la configuration la plus stable d’un couple (n,m) ‐ (n’,m’) 

Défauts structuraux

La structure polyaromatique sp2 des NTC les rend thermodynamiquement très stables. Néanmoins, ils présentent un certain nombre de défauts. Un nanotube parfait est constitué exclusivement d’hexagones, à l’exception de ses extrémités (2×6 Pentagones). Cependant, des défauts structuraux éloignent les nanotubes réels de cette vision théorique 26, 27. On peut citer les défauts topologiques, d’hybridations, chimiques ou structuraux. Ces défauts influencent de façon drastique les propriétés mécaniques, thermiques, électriques ou encore chimiques des NTC. Un nanotube comportant des défauts peu ainsi avoir une résistivité électrique plus grande d’un ordre de grandeur par rapport à un nanotube idéal 28. Les défauts peuvent toutefois s’avérer bénéfiques dans certains cas précis, par exemple en offrant des points d’accroche de moindre énergie pour des fonctionnalisations chimiques, ou des faibles barrières de potentiel pour des injections de charges. Ainsi, certains traitements oxydants, créateurs de défauts chimiques, peuvent améliorer le transfert de charges entre parois de MWNT et améliorer leur conductivité. Les défauts topologiques résultent du réarrangement    du réseau de carbone. Le réseau graphitique peut, par exemple, se réarranger autour d’une lacune (Figure 6 (a)) ou encore en formant des paires d’heptagones et pentagones (Figure 6 (b)). Ce dernier type de défaut est appelé, à tort, défaut de Stone‐ Wales (formé de pentagone et d’hexagones) 31. De plus, des conditions de synthèse peu adaptées créent également des NTC contenant de très nombreux défauts.