Systèmes unidimensionnels de fullerènes C60 et C70 confinés dans les nanotubes de carbone : transformations structurales et dynamique

This thesis in dedicated to the structural and dynamical properties of the one dimensional structures of C60 and C70 fullerenes, respectively spherical and ovoid, confined inside carbon nanotubes, as function of the temperature and the pressure. Peapods structures are studied by x rays diffraction and electron diffraction. Simulation of the experimental diffraction patterns allows characterizing the structural parameters of the carbon nanotubes (mean radius (0.7nm), distribution of radius), the filling rate of fullerenes inside carbon nanotube and the one dimensional lattice parameter of the fullerenes chains. According to the C70 peapods, the fullerene orientation as a function of the nanotube radius is studied and the critical nanotube diameter of the changing of orientations is determined. The structural evolutions of the fullerenes chains (thermal expansion, polymerization, and coalescence) as function of temperature and/or of pressure are studied and compared for the two kinds of fullerenes. Differences are observed according the polymerization under high pressure and high temperature. C60 fullerenes polymerize by [2+2] cyclo-addition inside carbon nanotubes but not the C70 ones. This result is explained by the confinement of the carbon nanotube. Structure of the double wall carbon nanotubes, synthesized by the fullerenes chains coalescence of C60 and C70 peapods at high temperature, seems to be independent of the kind of fullerenes. The inner radius is estimated to be about 0.36nm and the mechanism of the inner tube formation is discussed. Finally, dynamics of fullerene peapods are studied by inelastic neutron scattering. High orientational mobility of the C60 fullerenes is evidenced until relatively low temperature. This result is interpreted considering the strong one dimensional behavior of the fullerenes chains.Ce travail de thèse est consacré à l'étude des propriétés structurales et dynamiques, en fonction de la température et de la pression, des structures unidimensionnelles des fullerènes C60 et C70, respectivement de formes sphériques et ellipsoïdales, confinés dans les nanotubes de carbone. Ces nano-hybrides sont communément appelées peapods. La structure des peapods est étudiée à l'aide de la diffraction des rayons X et de la diffraction électronique. La simulation des diagrammes de diffraction permet de déterminer la structure des nanotubes de carbone (rayon moyen (0.7nm), distribution de rayons) ainsi que le taux de remplissage des nanotubes par les fullerènes et le paramètre de maille des chaînes de fullerènes. Dans le cas des peapods de C70, l'orientation des molécules en fonction du diamètre des nanotubes est analysée et la valeur du diamètre « critique » de changement d'orientation est déterminée. Les évolutions de la structure des chaînes de fullerènes (dilatation thermique, polymérisation, coalescence) en fonction de la température et/ou de la pression sont étudiées et comparées pour les deux sortes de fullerènes considérés. Des différences sont observées entre fullerènes C60 et C70 quant à la polymérisation à hautes pressions et températures. Les molécules de C60 polymérisent par cyclo-addition [2+2] dans les nanotubes, mais pas celles de C70, ce résultat étant expliqué par le confinement par le nanotube de carbone. La structure des nanotubes bifeuillets obtenus par la coalescence des chaînes de fullerènes des peapods C60 et C70 à très haute température semble indépendante de la nature des fullerènes. Le rayon moyen des nanotubes internes est estimé à 0.36 nm. Le mécanisme de formation du tube interne est discuté. Finalement la dynamique des peapods est étudiée par diffusion inélastique des neutrons. Une forte mobilité orientationnelle des fullerènes C60 est mise en évidence jusqu'à assez basses températures. Celle-ci est interprétée en considérant le caractère fortement unidimensionnel des chaînes de fullerènes