Propriétés électromécaniques des nanotubes de carbone multiparois

Cette thèse de 130 pages a été reproduite en 50 exemplaires au format 17x25 cm. Ceux qui seraient intéressé par un de ces exemplaires peuvent en faire la demande par email à roland.lefevre@yahoo.frIn this PhD thesis, we tackled theoretically and experimentally the problem of designing nanoelectromechanical systems (NEMS) based on multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs). Furthermore, we applied our know-how to perform components like switches. We developed a theoretical model to describe the deflection of a suspended MWCNT stressed by an attractive electrostatic force. Our model highlights a scaling law linking up the electrostatic deflection, geometrical, electrical and physical parameters of MWCNTs based NEMS. This result constitutes a practical designing tool because it predicts their electromechanical behaviour on a "large" range of operational parameters. At the same time, we developed several processes to fabricate nanostructures incorporating a suspended MWCNT electrostatically actuated. Among these different structures, the simplest was used to develop a method for probing electromechanical properties of MWCNTs. Our method is based on atomic force microscopy measurements on a doubly clamped suspended MWCNT electrostatically deflected by a drive voltage. These measurements show clearly for different MWCNTs (different diameter and length) the existence of such scaling law in agreement with the continuum model prediction. From these results, we extracted the Young's modulus of MWCNTs. For diameters smaller than 30 nm it is constant and its average value equals 400 GPa. Above, we observed a strong decrease that could be explained by the entry in a non-linear regime of deformation. Finally, we show the realization of an electromechanical switch based on a suspended MWCNT which presents good switching behaviour.Dans ce travail de thèse, nous avons cherché d'une part, à répondre à la question du dimensionnement des nanosystèmes électromécaniques (NEMS) à base de nanotube de carbone (NTC) multiparois, à la fois théoriquement et expérimentalement, et d'autre part, à appliquer le savoir-faire développé à la réalisation de composants de types interrupteurs. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la déflexion d'un nanotube de carbone suspendu soumis à une force d'attraction électrostatique. Notre modèle montre qu'il existe une loi d'échelle reliant la déflexion électrostatique aux paramètres géométriques, électriques, et physiques des NEMS à base de NTC. Ce résultat constitue, en soi, un outil de dimensionnement pour la conception de ces dispositifs, car il permet de prédire leur comportement électromécanique sur une « large » gamme de paramètres opérationnels. Parallèlement, nous avons mis au point des procédés de fabrication pour réaliser des nanostructures intégrant un NTC suspendu actionnable électrostatiquement. Parmi ces différentes structures, la plus simple a été utilisée pour sonder les propriétés électromécaniques des NTC multiparois. Nous avons développé une méthode basée sur l'utilisation d'un microscope à force atomique pour mesurer la déflexion en fonction de la tension électrique d'actionnement. Les résultats de ces mesures, pour différents NTC (différents diamètre et longueur), montrent clairement, et sans paramètre ajustable, l'existence de la loi d'échelle prédite par notre modèle théorique. À partir de ces mesures, nous avons extrait le module d'Young des NTC. Pour des diamètres inférieurs à 30 nm, celui-ci est constant et vaut en moyenne 400 GPa. Au-delà, nous observons une forte diminution qui pourrait s'expliquer par l'entrée dans un régime de déformation non-linéaire. Enfin, nous montrons la réalisation d'un interrupteur électromécanique à base de NTC qui présente de bonnes caractéristiques de commutation