Nucléation et croissance d'oignons de carbone synthétisés par implantation ionique de carbone dans l'argent à haute température - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2001

Nucleation and growth of carbon onions synthesized by carbon ion-implantation into silver substrates at high temperature

Nucléation et croissance d'oignons de carbone synthétisés par implantation ionique de carbone dans l'argent à haute température

Elsa Thune

Résumé

This work deals with the challenge of synthesizing new nanostructured materials. Our aim is to understand the nucleation and growth mechanisms of the different carbon phases synthesized by carbon ion-implantation into silver substrates held at high temperature (> 400 °C). Carbon onions, nanocapsules and an amorphous carbon layer are produced during the implantation experiments. These different carbon structures were characterized by using two complementary techniques : transmission electron microscopy (TEM and HRTEM) and resonant nuclear reactions analysis (RNRA). The size and microstructure of the carbon onions, but also the amount of the two other components, strongly depend on the implantation parameters. It is shown that the formation of the amorphous carbon component results from the preferential sputtering of silver, that allows the formation of a surface layer, and from a carbon precipitation at silver grains boundaries. To explain the nanocapsules formation, it is proposed that the carbon atoms precipitate on nanometric silver grains boundaries, leading to the formation of graphene layers around these grains. Surprisingly, the encapsulated metal grains are thrown out the graphitic matrix to leave the core of the nanocapsules empty. It is suggested that carbon onions nucleation occurs in two steps. Firstly, carbon atoms precipitate into the volume and form stable germs above a local critical concentration. Then, the progressive transformation of these precipitates into onion-like structures is attributed to the catalytic effect of the silver matrix on graphitisation and to the atomic displacements induced by the irradiation. It is proposed that the carbon onions growth is essentially due to the precipitation of the new implanted carbon atoms on the already formed carbon onions.
Ce travail s'inscrit dans le cadre des études menées pour synthétiser de nouveaux matériaux nanostructurés. Notre but est de comprendre les mécanismes de nucléation et croissance des différentes phases de carbone synthétisées par implantation ionique dans des substrats d'argent portés à haute température (> 400 °C). Des oignons de carbone, des nanocapsules et une couche de carbone amorphe se forment au cours des implantations. L'étude de la formation de ces différentes structures est réalisée à l'aide de deux techniques complémentaires : la microscopie électronique en transmission (MET et METHR) et l'analyse par réaction nucléaire résonante (RNRA). La taille et la microstructure des oignons de carbone, ainsi que la proportion des deux autres composantes, dépendent fortement des paramètres d'implantation. Nous montrons que la formation de la couche de carbone amorphe résulte d'une précipitation préférentielle des atomes de carbone à la surface et aux joints de grains. Pour expliquer la formation des nanocapsules, nous supposons que les atomes de carbone précipitent aux joints de grains nanométriques formant des couches graphitiques autour de ces grains. De manière surprenante, il s'ensuit une éjection du grain de métal encapsulé en dehors de la cage graphitique pour laisser le cœur de la nanocapsule vide. Nous suggérons que la nucléation des oignons de carbone s'effectue en deux étapes. Tout d'abord, le carbone, très peu soluble dans l'argent, précipite majoritairement dans le volume et forme des germes critiques stables à partir d'une concentration critique locale. Ensuite, ces précipités se transforment progressivement en oignons de carbone sous les effets conjugués de l'effet catalytique de la matrice d'argent sur la graphitisation et des déplacements atomiques induits par l'irradiation. Nous proposons que la croissance des oignons de carbone est essentiellement due à la précipitation des nouveaux atomes de carbone sur les oignons déjà formés.
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Dates et versions

tel-00005815 , version 1 (02-05-2004)

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  • HAL Id : tel-00005815 , version 1

Citer

Elsa Thune. Nucléation et croissance d'oignons de carbone synthétisés par implantation ionique de carbone dans l'argent à haute température. Mécanique [physics.med-ph]. Université de Poitiers, 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00005815⟩

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