Solides et matériaux carbonés 2

Pierre Delhaes

Description

Les solides carbonés cristallins, diamants et graphites, sont les exemples les plus connus de différentes variétés polymorphiques. Les avancées récentes au cours du XXe siècle ont conduit à la caractérisation des carbones graphitiques partiellement cristallisés d'origine naturelle ou artificielle mais également à la découverte de nouvelles phases moléculaires, les fullerènes, nanotubes et graphènes.
Publié en trois volumes, Solides et matériaux carbonés intègre ces différents apports et les associe aux divers domaines industriels. Basé sur une approche historique, le premier volume présente les différentes formes de carbones découverts ou prévus théoriquement, leurs précurseurs et les composés analogues. Le second volume s'intéresse à une comparaison de l'ensemble des propriétés physiques intrinsèques des différentes phases. Le troisième et dernier volume décrit les caractéristiques physico-chimiques de surface et les grands domaines d'applications en tant que matériaux fonctionnels ou de structure.
Introduction. Chapitre 1. Propriétés génériques de structure. Chapitre 2. Structures électroniques et propriétés magnétiques. Chapitre 3. Propriétés électroniques de transport. Chapitre 4. Propriétés optiques et applications. Chapitre 5. Propriétés vibrationnelles. Principaux sigles et symboles. Table des encadrés. Index. Sommaire du volume 1. Sommaire du volume 3.

Sujets

• Physique
• Matériau
• Physique de la matière condensée

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 08 septembre 2009
• Nombre de lectures: 13
• EAN13: 9782746240445
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Solides et matériaux carbonés 2

© LAVOISIER, 2009 LAVOISIER 11, rue Lavoisier 75008 Paris www.hermes-science.com www.lavoisier.fr ISBN volume 2 978-2-7462-2374-5 ISBN général 978-2-7462-2372-1 Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part, que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite" (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs. Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, September 2009.

Solides et matériaux carbonés 2 propriétés de volume Pierre Delhaes

Collection Procédés et systèmes mécaniques dirigée par P IERRE D EVALAN

T ABLE DES MATIÈRES

Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 1. Propriétés génériques de structure. . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1. Propriétés élastiques et mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Rappels des principales définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Modules délasticité des phases cristallines . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Lois de comportement des graphites polycristallins massifs . . . . 1.1.3.1. Relations effort-déformation en essai statique. . . . . . . . . 1.1.3.2. Caractéristiques dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3.3. Mécanismes dendommagement et de rupture. . . . . . . . . 1.1.4. Lois de comportement des carbones filamentaires . . . . . . . . . 1.1.4.1. Les fibres et nanofibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4.2. Les nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Propriétés thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Définitions thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Chaleurs spécifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.1. Comparaison entre les différentes variétés polymorphiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.2. Anomalies basses températures des carbones graphitiques . 1.2.3. Dilatation thermique des solides carbonés . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.1. Dilatation thermique des cristaux . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.2. Dilatation thermique des échantillons graphitiques massifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.3. Dilatation thermique des carbones filamentaires . . . . . . . 1.2.4. Conductivité thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.2.4.1. Conductivité thermique des cristaux . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4.2. Cas des carbones massifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4.3. Cas des carbones filamentaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 2. Structures électroniques et propriétés magnétiques. . . . . . .

2.1. Les structures de bande électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Structure de bandes du monocristal de graphite . . . . . . . . . . . 2.1.2. Evaluations expérimentales des paramètres énergétiques . . . . . 2.1.3. Modèles pour les carbones graphitiques. . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.1. Influence des interactions entre plans . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.2. Modèles des carbones turbostratiques. . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.3. Modèles avec des états dénergie localisés . . . . . . . . . . . 2.1.4. Dimensionnalité électronique des solidesπ. . . . . . . . . . . . . . 2.2. Les propriétés magnétiques statiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Présentation générale du diamagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Le monocristal de graphite et le plan de graphène. . . . . . . . . . 2.2.3. Les différentes variétés de carbones graphitiques . . . . . . . . . . 2.2.3.1. Carbones massifs de différentes textures . . . . . . . . . . . . 2.2.3.2. Carbones nanostructurés et poreux . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Phénomènes quantiques sur les nanotubes . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Résonance paramagnétique électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Caractéristiques générales de la RPE . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.1. Lintensité de la raie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2. La forme et la largeur de la raie . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.3. La position de la largeur de raie . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Paramagnétisme de Pauli des graphites . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. RPE de différentes variétés de carbones. . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.1. Les diamants et phases adamantines . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.2. Différents carbones graphitiques. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.3. Cas des nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4. Les interactions magnétiques présentes . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.1. Modèles de raies uniques et homogènes . . . . . . . . . . . . 2.3.4.2. Rôle des impuretés magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Résonance magnétique nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Les carbones non cristallins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Cas du graphite et des carbones graphitiques. . . . . . . . . . . . .

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Table des matières 5

2.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 3. Propriétés électroniques de transport. . . . . . . . . . . . . . . .

3.1. La conductivité électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Les différents mécanismes de conduction. . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.1. Régime par sauts dans un solide désordonné . . . . . . . . . 3.1.1.2. Régime diffusif classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Transport en régime balistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2.1. Cas des nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2.2. Cas du graphène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2.3. Résumé sur les différents régimes . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Transport non ohmique et applications . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.1. Transistors et circuits logiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.2. Le phénomène démission de champ . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4. Propriétés électromécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Les propriétés galvanomagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Evolution des carbones graphitiques en régime classique . . . . . 3.2.1.1. Le coefficient de Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1.2. Les magnétorésistances positive et négative . . . . . . . . . . 3.2.2. Phénomènes quantiques dans les phases cristallines . . . . . . . . 3.2.2.1. Le monocristal de graphite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.2. Le graphène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.3. Les nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Comparaison entre les différentes formes graphitiques . . . . . . . 3.3. Les propriétés thermoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Les graphites et carbones massifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Les carbones filamentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Effets thermomagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4. Remarques sur la conductivité thermique électronique . . . . . . . 3.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 4. Propriétés optiques et applications. . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1. Les propriétés en optique linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Techniques expérimentales et présentation générale . . . . . . . .

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4.1.1.1. Les techniques en optique géométrique. . . . . . . . . . . . . 4.1.1.2. Les spectroscopies de photo-électrons et délectrons. . . . . 4.1.2. Le monocristal de graphite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.1. Réflexion et absorption en IR-visible-UV . . . . . . . . . . . 4.1.2.2. Caractéristiques optiques et structure électronique . . . . . . 4.1.3. Les carbones graphitiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3.1. Les spectres dabsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3.2. Lanisotropie de réflectivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4. Les fullerènes et les nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4.1. Phénomène dabsorption optique . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4.2. Spectroscopie dabsorption dénergie des électrons . . . . . 4.1.4.3. Réponses diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5. Les cristaux de diamant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6. Les carbones adamantins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Les propriétés photo-induites et non linéaires . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. La luminescence dans les phases type diamant . . . . . . . . . . . 4.2.1.1. Diamant cristallin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.2. Phases adamantines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.3. Effets photoconducteur et photothermique . . . . . . . . . . . 4.2.2. Effets photo-induits et non linéaires dans les fullerènes . . . . . . 4.2.3. Effets photo-induits et non linéaires dans les nanotubes . . . . . . 4.2.3.1. La luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.2. Les effets non linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.3. Influences de lenvironnement et sélection des nanotubes. . 4.3. Les méthodes danalyses et les applications. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Récapitulatif des techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.1. Les résonances magnétiques et vibrationnelles . . . . . . . . 4.3.1.2. Les propriétés optiques classiques (UV-visible-IR) . . . . . 4.3.1.3. Lémission de photo-électrons par des photons UV ou X (UPS, XPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.4. Les interactions avec les rayons X. . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.5. Labsorption de faisceaux délectrons . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.6. Les interactions avec un faisceau dions . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Les applications en optique et optoélectronique . . . . . . . . . . . 4.3.2.1. Utilisations liées à labsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.2. Applications potentielles en optoélectronique . . . . . . . . . 4.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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