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Paredes Guerrero, Germercy. Development of new probes based on carbon nanocones for near-field microscopies

Paredes Guerrero, Germercy (2020). Development of new probes based on carbon nanocones for near-field microscopies.

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Résumé en francais

La microscopie à champ proche permet l'étude topographique et des propriétés physiques (électrique, mécanique, etc.) de la surface d'un matériau à l'échelle nanométrique. Pour ce faire, l'échantillon étudié est balayé en surface par une sonde (ou pointe) dont les caractéristiques géométriques (comme le rayon de courbure de l'apex et le facteur de forme) et les propriétés physiques (mécanique, électrique etc.) doivent être adaptées pour garantir une résolution suffisante et une représentation fidèle de la surface. Cependant, les sondes actuelles présentent des limitations importantes vis-à-vis de la résolution apportée, dans les artefacts possibles d'imagerie, et dans leur adaptabilité concernant leur utilisation dans différents modes (qu'ils soient conducteurs ou non). Ces limitations sont causées principalement par le type de matériau utilisé (par exemple le silicium ou le nitrure de silicium, en standard, ou des nanotubes de carbone), ainsi que par les procédés de fabrication employés pour structurer la géométrie des sondes. Dans ce travail, nous étudions le potentiel de nanocônes de carbone (morphologie carbonée graphénique en forme de cônes à haut facteur de forme et d'apex nanométrique) pour différents modes de microscopie à champ proche. Ces nanocones présentent d'excellentes propriétés mécaniques (forte liaison C-C) et électriques. Ces derniers ont déjà été testés avec succès et brevetés en tant qu'émetteurs d'électrons pour les canons à émission de champ froid équipant les microscopes électroniques par transmission les plus performants. Ces diverses caractéristiques des nanocônes (facteur de forme, apex nanométrique, conductivité, stabilité mécanique, forte cohésion atomique) et d'autres (hydrophobicité, inertie chimique, morphologie multi-échelle micro-nano...) font qu'ils pourraient également constituer une solution prometteuse pour concevoir des sondes potentiellement supérieures aux sondes existantes, qu'elles soient standard ou plus spécifiques comme celles en nanotubes de carbone, pour divers types de microscopie à champ proche, notamment en termes de résolution spatiale et durabilité. Dans une première partie, cette thèse est dédiée à la synthèse de nanocônes de carbone individuels suivant une méthode originale de synthèse nommée ToF-CVD (Time of Flight - Chemical Vapor Deposition). Le travail révèle des mécanismes de formation complexes mettant en jeu d'une part les mécanismes de nucléation en phase hétérogène spécifiques de la CVD du carbone pyrolytique, et d'autre part des mécanismes de mouillabilité impliquant de phénomènes connus du domaine comme l'instabilité de Plateau-Rayleigh. Le montage des nanocônes sur des supports dédiés en tant que sondes pour microscopies à champ proche est ensuite réalisé, suivi par des études de caractérisation (SEM, TEM, spectroscopie RAMAN) pour évaluer leurs caractéristiques initiales du point de vue géométrique et structural et leur évolution vis-à-vis des conditions opératoires requises à la fois lors du montage et pour les différents modes de microscopie à champ proche étudiés. Dans une seconde partie, le potentiel des nanocônes de carbone en tant que sondes pour des modes de microscopie à champ proche non conducteurs comme le mode topographie (microscopie à force atomique - AFM) et le mode "Peak Force Quantitative Nano Mechanical" (PF-QNM), et pour des modes conducteurs comme pour la microscopie à effet tunnel (STM), la microscopie à force atomique conducteur (c-AFM), la microscopie à force Kelvin (KFM) est évalué. Cette évaluation est faite sur la base de (i) leurs performances ; (ii) leur durabilité ; (iii) leur versatilité. La finalité ultime est de comparer la performance des sondes-nanocônes de carbone par rapport à des sondes commerciales. Les nanocônes de carbone se révèlent être de véritables sondes multimodes avec peu d'équivalents actuels. Des améliorations sont cependant nécessaires et possibles, ce pour quoi des directions sont proposées.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Monthioux , Marc
Piazza, Fabrice
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES), UPR 8011
Mots-clés libres :Carbone - CVD - Nanocônes - Champ proche - Pointes AFM
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :19 Mar 2021 15:25