Comment les nanotubes de carbone conduisent-ils le courant et quel est le rôle du support ?

Les nanotubes de carbone sont de longs tuyaux de diamètre nanométrique qui peuvent conduire le courant électrique. Cela en fait des candidats de choix pour le développement d’une nouvelle électronique où les composants sont des molécules individuelles. Selon la structure de leur paroi, les nanotubes de carbone se comportent soit comme des matériaux conducteurs (comme les métaux), soit comme des semiconducteurs (tel le silicium). Jusqu’à présent, la caractérisation de ces propriétés de conduction par des moyens optiques ou électroniques conduisait à des mesures contradictoires. En mesurant les propriétés électroniques de fagots de nanotubes par microscopie à effet tunnel, des physiciens du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (CNRS / Univ. Paris Diderot) en collaboration avec le laboratoire d’Etude des Microstructures (CNRS / ONERA) et le laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (CNRS / ENS Cachan), ont montré que ce désaccord apparent provient notamment du fait que dans les mesures par des moyens électroniques, les nanotubes reposent sur un substrat métallique alors que ce n’est pas le cas pour les mesures optiques. Les électrons apportés par le substrat métallique ont pour effet de diminuer la tension seuil à partir de laquelle un courant électrique peut passer dans les nanotubes semiconducteurs. Ces résultats, qui réconcilient les différentes approches, sont publiés dans la revue Nature Materials.

Pour réaliser ce travail, les physiciens ont utilisé un ensemble de nanotubes assemblés en fagot. Ils ont ainsi eu accès à des tubes dont la distance au substrat est plus ou moins importante. Les mesures ont été effectuées avec un microscope à effet tunnel et ont permis aux chercheurs d’obtenir simultanément l’image à trois dimensions d’un tube avec une résolution atomique et la mesure de sa structure électronique. Ces mesures montrent que selon sa distance à la surface, le nanotube est soit métallique, soit semiconducteur. Les mesures de tension seuil effectuées réconcilient les valeurs obtenues précédemment par les techniques optiques. Elles valident en outre les approches théoriques prenant en compte les effets collectifs à plusieurs électrons. Les expériences suggèrent notamment que le substrat métallique agit comme un miroir pour les électrons, qui voient une « charge image » dans le métal, ce qui à pour effet de réduire la tension seuil caractéristique du tube. Ces travaux montrent le rôle crucial joué par la présence d’un substrat sur les propriétés électroniques des nanotubes, effet qui devra être pris en compte à l’avenir pour réaliser des composants électroniques à base de nanotubes.

Figure

Image (40x40 nm²) par microscopie à effet tunnel d’un fagot de nanotubes de carbone sur laquelle est projetée en code couleur la valeur de la conductance mesurée en chaque point de l’image. Ce type de représentation permet de très bien distinguer les tubes semiconducteurs (en noir) et métalliques (en jaune). Le substrat métallique apparaît également en jaune.