Contribution to the study of vapor-phase carbon growth (study of conducting carbon blacks by electron microscopy, ESR and Fractal modeling).
Contribution à l'étude de la croissance du carbone en phase vapeur (étude des noirs conducteurs par microscopie électronique, RPE et modélisation fractale).
Abstract
The structural and microtextural organization of gaseous phase-formed carbon (aerosol) was studied. Among various products we have chosen conducting black. Among them acetylene blacks are characterized by a very high temperature of formation (about 2500°C).
Nous avons étudié l'organisation structurale et microtexturale du carbone formé en phase gazuse (aérosol). Parmi différents produits, nous avons choisi les noirs conducteurs dont les noirs d'acétylène caractérisés par une très haute température de formation (~ 2500°C).
1. Le résultat majeur de cette étude concerne la classification microtexturale statistique des noirs à laquelle nous sommes parvenus. Elle est basée sur l'étude de la couche aromatique, de son diamètre et de sa distribution spatiale. Elle repose sur la différenciation de 5 ordres d'empilement caractéristiques à l'échellemicrotexturale ou ordre à courte distance.
2. La mesure de la dimension fractale de masse, Dm, des agregats nous a permis de quantifier l'organisation à grande distance. Nous montrons que 2 processus de croissance apparaissent. Le premier est le processus classique d'agrégation de particules concentriques qui produit des fractals de dimensions élevées : Dm ~1,7 – 2. A l'opposé, nous mettons en évidence un processus de croissance directe des agrégats qui produit des fractals de masse faible : Dm ~1,4 – 1,5. La meilleure modélisation de ce processus nouveau est « le vol brownien persistant » de Mandelbrot (1977), simulant la diminution de la dimension fractale avec l'augmentation du diamètre de la couche.
3. En ce qui concerne la croissance, nos résultats peuvent se résumer de la façon suivante. Lorsque la microtexture s'organise suivant l'axe c (type I ou II, par exemple) on observe une croissance radiale des particules élémentaires qui s'agrègent (à grande distance). Par contre la croissance latérale des couches à courte distance (type IV ou V) implique un processus de croissance directe des agrégats. Ainsi, le diamètre et la perfection de la couche, gouvernent le type d'empilement ainsi que le processus de croissance à grande distance. Nos résultats montrent parallèlement que tous les intermédiaires existent entre ces deux extrêmes.
4. Les propriétés électroniques accessibles en RPE sont en accord avec ces modèles. Tous les noirs, quelle que soit leur organisation, lorsqu'ils sont débarassés de leurs hétéroatomes ne présentent plus qu'un seul type de paramagnétisme (de Pauli) lié aux porteurs de charge et cela, quelle que soit l'étendue des systèmesaromatiques (de 10 Å à plusieurs centaines d'angströms). Seuls les distorsions des systèmes aromatiques et l'ordre d'empilement suivantl'axe c montrent des différences perceptibles. Nos résultats montrent en autres, que la conductivité de tous ces carbones est élevée quelle que soit leur organisation. Ils montrent que la distance de délocalisation dépasse largement la taille de l'agrégat et ne dépend que de la densité de contacts des agrégats entre eux.
5. Enfin, nous montrons qu'il existe un très bon accord entre les propriétés applicatives des noirs conducteurs dans les piles et les paramètres structuraux, microtexturaux ou fractals que nous introduisons pour les caractériser. On peut conclure que les performanances des noirs conducteurs dépendent moins des propriétés électroniques instrinsèques (accessibles en RPE) que leur texture à longue distance, elle-même, fonction de l'ordre local, c'est-à-dire de la microtexture).
1. Le résultat majeur de cette étude concerne la classification microtexturale statistique des noirs à laquelle nous sommes parvenus. Elle est basée sur l'étude de la couche aromatique, de son diamètre et de sa distribution spatiale. Elle repose sur la différenciation de 5 ordres d'empilement caractéristiques à l'échellemicrotexturale ou ordre à courte distance.
2. La mesure de la dimension fractale de masse, Dm, des agregats nous a permis de quantifier l'organisation à grande distance. Nous montrons que 2 processus de croissance apparaissent. Le premier est le processus classique d'agrégation de particules concentriques qui produit des fractals de dimensions élevées : Dm ~1,7 – 2. A l'opposé, nous mettons en évidence un processus de croissance directe des agrégats qui produit des fractals de masse faible : Dm ~1,4 – 1,5. La meilleure modélisation de ce processus nouveau est « le vol brownien persistant » de Mandelbrot (1977), simulant la diminution de la dimension fractale avec l'augmentation du diamètre de la couche.
3. En ce qui concerne la croissance, nos résultats peuvent se résumer de la façon suivante. Lorsque la microtexture s'organise suivant l'axe c (type I ou II, par exemple) on observe une croissance radiale des particules élémentaires qui s'agrègent (à grande distance). Par contre la croissance latérale des couches à courte distance (type IV ou V) implique un processus de croissance directe des agrégats. Ainsi, le diamètre et la perfection de la couche, gouvernent le type d'empilement ainsi que le processus de croissance à grande distance. Nos résultats montrent parallèlement que tous les intermédiaires existent entre ces deux extrêmes.
4. Les propriétés électroniques accessibles en RPE sont en accord avec ces modèles. Tous les noirs, quelle que soit leur organisation, lorsqu'ils sont débarassés de leurs hétéroatomes ne présentent plus qu'un seul type de paramagnétisme (de Pauli) lié aux porteurs de charge et cela, quelle que soit l'étendue des systèmesaromatiques (de 10 Å à plusieurs centaines d'angströms). Seuls les distorsions des systèmes aromatiques et l'ordre d'empilement suivantl'axe c montrent des différences perceptibles. Nos résultats montrent en autres, que la conductivité de tous ces carbones est élevée quelle que soit leur organisation. Ils montrent que la distance de délocalisation dépasse largement la taille de l'agrégat et ne dépend que de la densité de contacts des agrégats entre eux.
5. Enfin, nous montrons qu'il existe un très bon accord entre les propriétés applicatives des noirs conducteurs dans les piles et les paramètres structuraux, microtexturaux ou fractals que nous introduisons pour les caractériser. On peut conclure que les performanances des noirs conducteurs dépendent moins des propriétés électroniques instrinsèques (accessibles en RPE) que leur texture à longue distance, elle-même, fonction de l'ordre local, c'est-à-dire de la microtexture).