Percolation dans des réseaux réalistes de nanostructures de carbone

Les nanotubes de carbone ont des proprietes mecaniques et electriques tres interessantes pour plusieurs applications en electronique. Ils sont tres resistants a la deformation et peuvent etre d’excellents conducteurs ou semi-conducteurs. Toutefois, manipuler les nanotubes individuellement pour construire des dispositifs structures demeure tres difficile. Il n’existe pas encore de methode permettant de controler a la fois les proprietes electriques, l’orientation et le positionnement spatial d’un ensemble de nanotubes. Produire des reseaux desordonnes de nanotubes est par contre beaucoup plus facile, et ces systemes possedent de plus une bonne conductivite electrique qui les rend tres interessants, notamment comme materiaux d’electrodes transparentes et flexibles. Il y a trois principales methodes de fabrication employees pour produire des reseaux de nanotubes : le depot de solution, la croissance sur substrat et l’enchâssement dans une matrice de polymeres. Le depot de solution peut engendrer des reseaux de densites diverses sur une variete de substrats. La croissance directe sur substrat permet quant a elle de produire des reseaux tres propres sur des substrats tels le SiO2. De son cote, l’enchâssement dans une matrice de polymeres permet de produire des volumes composites contenant des quantites variables de nanotubes. Beaucoup de parametres comme la longueur des tubes, leur orientation ou leur tortuosite influencent cependant les proprietes de ces reseaux et la presence de desordre structural complique la comprehension de leurs interactions. Prevoir les proprietes d’un reseau comme la conductivite a partir de quelques caracteristiques comme la taille des tubes et leur densite peut etre difficile. Cette tâche devient d’autant plus complexe si l’on veut maintenant identifier les parametres qui vont permettre d’optimiser les performances d’un dispositif contenant ce materiau. Nous avons choisi d’aborder le probleme des reseaux de nanotubes de carbone en developpant une serie d’outils numeriques qui sont principalement bases sur la methode Monte-Carlo. Nous tenons compte d’un grand nombre de parametres pour decrire les caracteristiques des reseaux, ce qui nous permet une representation plus fiable de reseaux reels ainsi qu’une grande polyvalence pour le choix des constituants des reseaux pouvant etre simules. Les outils que nous avons developpes, regroupes dans le logiciel RPH-HPN pour Reseaux percolatifs hybrides - Hybrid Percolation Networks, permettent la construction des reseaux aleatoires, detectent les contacts entre les tubes, traduisent les systemes en circuits electriques equivalents et calculent les proprietes globales. ---------- Abstract Carbon nanotubes have very interesting mechanical and electrical properties for various applications in electronics. They are highly resistant to deformation and can be excellent conductors or semiconductors. However, manipulating individual nanotubes to build structured devices remains very difficult. There is no method for controlling all of the electrical properties, the orientation and the spatial positioning of a large number of nanotubes. The fabrication of disordered networks of nanotubes is much easier, and these systems have a good electrical conductivity which makes them very interesting, especially as materials of transparent and flexible electrodes. There are three main methods of production used to make networks of nanotubes: the solution deposition, the direct growth on substrate and the embedding in a polymer matrix. The solution deposition method can form networks of various densities on a variety of substrates, the direct growth of nanotubes allows the creation of very clean networks on substrates such as SiO2, and the embedding in a polymer matrix can give composite volumes containing varying amounts of nanotubes. Many parameters such as the length of the tubes, their orientation or their tortuosity influence the properties of these networks and the presence of structural disorder complicates the understanding of their interactions. Predicting the properties of a network, such as conductivity, from a few characteristics such as size and density of the tubes can be difficult. This task becomes even more complex if one wants to identify the parameters that will optimize the performance of a device containing the material. We chose to address the carbon nanotube networks problem by developing a series of computer simulation tools that are mainly based on the Monte Carlo method. We take into account a large number of parameters to describe the characteristics of the networks, which allows for a more reliable representation of real networks as well as versatility in the choice of network components that can be simulated. The tools we have developed, grouped together in the RPH-HPN software Reseaux percolatifs hybrides - Hybrid Percolation Networks, construct random networks, detect contact between the tubes, translate the systems to equivalent electrical circuits and calculate global properties. An infinity of networks can have the same basic characteristics (size, diameter, etc.) and therefore the properties of a particular random network are not necessarily representative of the average properties of all networks. To obtain those general properties, we simulate a large number of random networks with the same basic characteristics and the average of the quantities is determined.