Quasi-in-situ detection of nanoparticles by laser-induced incandescence during chemical vapor deposition synthesis of carbon nanotubes

Ce travail contribue à la quasi-in-situ détection des nanoparticules par la technique d’incandescence induite par laser (LII) pendant le dépôt chimique en phase vapeur avec catalyseur flottant (FCCVD) de nanotubes de carbone. Premièrement, la microscopie électronique en transmission (MET) à haute résolution était utilisé pour caractériser la nature et la taille des nanoparticules. Le signal théorique de LII a été simulé en considérant la densité des nanoparticules, la capacité thermique et la distribution de taille, etc. La sensibilité et l’incertitude concrètes des paramètres clés sur la taille évaluée des particules pour ce modelé ont été estimées. Le modèle LII a été validé par la comparaison des résultats évalués avec ceux obtenus par la MET. Ensuite, la technique mature LII combinée avec MET a été appliquée pour étudier l’évolution des nanoparticules dans la phase gazeuse le long de l’axe du réacteur. L’influence de la température, de la concentration de ferrocène, de la source de carbone et de la proportion hydrogène sur la taille des nanoparticules a également été démontrée. Enfin, les rôles des nanoparticules dans la phase gazeuse au cours du processus de synthèse des NTC ont été discutés en corrélant les informations sur l’évolution axiale des nanoparticules et la morphologie des NTC synthétisés sur le substrat le long de l’axe du réacteur. Un modèle basé sur la thermodynamique de la nucléation des nanoparticules a été proposé pour décrire le processus de formation des nanoparticules au cours du processus DCVCF. Il est constaté que les nanoparticules asformé en phase gazeuse présentent des structures cœur-coquille avec un noyau de α-Fe et la coque de carbone. Ainsi, les nanoparticules de fer en phase gazeuse ne pourraient pas contribuer à la croissance de NTC sur le substrat à cause de l’encapsulation de carbone. En même temps, la taille des nanoparticules évaluée par LII est en bon accord avec celle-ci déterminée par MET. Cette étude, montrant les relations potentielles entre les nanoparticules flottantes et les NTCs sur le substrat, révèle une perspective importante de l’application de LII pour comprendre et améliorer le processus DCVCF.This work contributes to the quasi-in-situdetection of nanoparticles by laser induced incandescence(LII) technique during the floating catalytic chemicalvapor deposition (FCCVD) synthesis of Carbonnanotubes.First, high resolution transmission electron microscopy(TEM) was used to characterize the nanoparticlenature and size. The theoretical LII signal was simulatedby considering the nanoparticle density, heatcapacity and size distribution, etc. A detailed sensitivityand uncertainty of the key parameters on the evaluatedparticle size for this model was estimated. TheLII model was validated by a comparison of the evaluatedresults with the ones obtained by TEM measurements.Then, the developed LII technique combinedwith TEM was applied to investigate the evolutionof nanoparticles in the gas phase along thereactor axis. The influence of the temperature, ferroceneconcentration, carbon source and hydrogen ratioon the nanoparticle size was also demonstrated. Finally,the roles of nanoparticles in the gas phase duringCNT synthesis process were discussed by correlatinginformation on the axial nanoparticle evolutionand the morphology of CNTs synthesized on thesubstrate along the reactor axis. And a model basedon the thermodynamics of the nanoparticle nucleationwas proposed to describe the nanoparticle formationprocess during the FCCVD process. It is found thatthe as-formed nanoparticles in the gas phase exhibitcore-shell structures with an α-Fe core and a carbonshell. Hence iron nanoparticles in the gas phasecould not contribute to the CNT growth on the substratebecause of the carbon encapsulation. Meanwhilethe evaluated size of nanoparticles by LII is ingood agreement with the TEM determined one. Thisstudy, showing potential relations between the floatingnanoparticles and the CNTs on the substrate, revealsthe important LII application prospect to understandand to improve the FCCVD process