Le catalyseur pour la croissance des nanotubes de carbone (NTC) est principalement constitué de métaux de transition tels que le fer (Fe), le cobalt (Co) et le nickel (Ni). Ces métaux ont une solubilité limitée du carbone à haute température, ce qui les rend appropriés pour la formation de NTC.
La croissance des NTC peut être réalisée par différentes méthodes, notamment le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Dans le dépôt chimique en phase vapeur, un catalyseur à base de métaux de transition est exposé à des hydrocarbures gazeux à des températures élevées. Les espèces de carbone se diffusent à la surface du catalyseur et réagissent entre elles pour former de petites grappes de carbone. Lorsque ces amas dépassent une taille critique, des cristaux de graphène se forment et le dépôt se poursuit pour former une couche unique et continue de graphène. Le catalyseur joue un rôle crucial dans ce processus en facilitant la croissance des amas de carbone et en fournissant une surface pour la nucléation.
Le choix du catalyseur peut également affecter le mécanisme de croissance et le comportement des NTC. Le cuivre (Cu) et le nickel (Ni) sont deux catalyseurs couramment utilisés avec des propriétés différentes. Le Cu a une faible solubilité dans le carbone, ce qui conduit à un mécanisme de croissance basé sur la surface où le graphène se forme sur la surface du Cu à des températures élevées. En revanche, le nickel présente une solubilité élevée du carbone, ce qui entraîne un mécanisme de diffusion du carbone dans la feuille de nickel à haute température, suivi d'une ségrégation du carbone et de la formation de graphène à la surface du métal pendant le refroidissement.
Outre le catalyseur, d'autres facteurs tels que le temps de séjour, la température et le débit du précurseur contenant du carbone peuvent également influencer la croissance des NTC. Un temps de séjour optimal est nécessaire pour garantir une accumulation suffisante de la source de carbone sans limiter le renouvellement de la source de carbone ou l'accumulation de sous-produits.
En outre, la présence d'hydrogène peut également avoir un impact sur la croissance des NTC synthétisés à l'aide de méthane et d'éthylène. Le méthane et l'éthylène nécessitent de l'hydrogène lors de la conversion thermique avant d'être dopés en nanotubes de carbone. L'hydrogène peut favoriser la croissance des NTC synthétisés par le méthane et l'éthylène en réduisant le catalyseur ou en participant à la réaction thermique. Par contre, dans le cas de l'acétylène, l'hydrogène ne joue pas un rôle significatif dans le processus de synthèse, sauf pour son effet réducteur sur le catalyseur.
Globalement, le catalyseur, les conditions de croissance et les caractéristiques de la source de carbone jouent tous un rôle clé dans la croissance des nanotubes de carbone. Il est essentiel de comprendre l'interaction entre ces facteurs pour contrôler et optimiser le processus de croissance.
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