6.6 Le nanotube a t-il disparu ? . . . 160 6.7 Comportement Fowler Nordheim du nanotube : mesure de
courbes I-V . . . 161 6.8 Déviation de la courbe Fowler-Nordheim à très faibles cou-
rants IF E avec la température . . . 163 6.8.1 Description du channeltron . . . 163 6.8.2 Continuité de la courbe Fowler-Nordheim à courants IF E très
faibles . . . 164 6.8.3 Analyse des résultats . . . 165 6.9 Mesures de distribution d'énergie . . . 166 6.9.1 Un moyen d'accès à plusieurs paramètres physiques du nanotube 166 6.9.2 Comparaison des spectres énergétiques entre un adsorbat et le
nanotube . . . 169 6.9.3 Distribution énergétique du nanotube dans son état propre . . 171 6.9.4 Mise en évidence de l'augmentation de la température à l'extré-
mité du nanotube pour un fort champ électrique . . . 172 6.9.5 Etude des distributions énergétiques lors de chauages thermiques
contrôlés au niveau du substrat . . . 175 6.10 Etudes préliminaires de photoémission de champ . . . 179 6.11 Conclusion . . . 183
6.1 Introduction
C
e chapitre présente les premières observations, mesures et analyses obtenues sur un nanotube de carbone multifeuillet (MWNT) individuel par émission de champ.Le nanotube utilisé est celui qui a été présenté en détail à la n du chapitre précé- dent. Après avoir décrit le dispositif expérimental, nous exposerons diérents diagrammes FEM obtenus à partir du nanotube et montrerons le comportement de la caractéristique courant-tension (Représentation de Fowler-Nordheim) mesurée à température ambiante.
En utilisant un channeltron ou compteur d'électrons, nous étudierons ensuite la dépen- dance en température du comportement du nanotube à très faible courant sur les courbes Fowler-Nordheim. Des mesures de distribution en énergie seront également présentées an d'estimer la variation de température à l'extrémité du nanotube en fonction de la tempé- rature appliquée à sa base. Enn, nous détaillerons l'appareillage expérimental et les tous premiers résultats établis lors de mesures de photoémission de champ sur ce nanotube.
6.2. DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL
L
e dispositif expérimental utilisé tout au long de ce chapitre est présenté sur la gure 6.1. Il présente de nombreuses similitudes avec le dispositif conçu pour la synthèse in-situ de nanotubes sous émission de champ (Cf. Chapitre 3) à l'exception près qu'il pro- pose d'autres installations spéciques permettant de caractériser l'émetteur de manière beaucoup plus précise.An de limiter la présence d'adsorbats à la surface émettrice du nanotube, le système est pompé à environ 2.10−10 T orr à l'aide d'une pompe ionique et d'un ensemble com- posé de deux pompes Turbo couplées à une pompe à palette. Ce système possède aussi un lament de Titane chaué avant chaque manipulation par un courant de 25 A pendant 10 secondes environ. L'intérêt de ce lament est de neutraliser et xer les dernières molé- cules résiduelles présentes dans le système UHV. Similairement au microscope à émission de champ déjà présenté précédemment, le dispositif est étuvé après chaque changement d'échantillon en suivant une procédure optimale (Cf. Chapitre 3).
La 'tête d'émission', comprenant l'émetteur 'pointe W + nanotube', est composée d'une embase en céramique et en inox sur laquelle sont soudés 2 ls de Tungstène (φW = 125µm). Ces ls ont la forme d'un "V" à la pointe duquel est soudé un tube de Ni placé dans l'axe principal de symétrie de la 'tête d'émission'. Ce tube de Ni a une longueur d'en- viron 4 mm, un diamètre externe φext = 400 µm et un diamètre interne φint = 200 µm. La pointe W avec le nanotube collé à son extrémité est insérée dans ce tube de Ni. Sur la surface externe du tube de Ni est soudé un thermocouple de NiCr qui mesure en continu la température à la base de la pointe W. En utilisant cette conguration géométrique et ces diérents matériaux, nous pouvons aisément changer d'émetteur ou le déplacer pour des observations complémentaires en microscopie électronique à balayage. En revanche, il est impossible d'établir une température supérieure à 1450°C sur la pointe W et par conséquent à la base du nanotube car cette valeur correspond au point de fusion du tube de Nickel.
Autour et à quelques millimètres de l'échantillon se trouvent quatre quadrupôles po- larisés à une tension d'extraction VB. Le potentiel sur chacun des déecteurs peut être ajusté de façon symétrique pour modier la trajectoire des électrons émis par la pointe.
Similairement au dispositif précédent, deux boucles circulaires peuvent être ajoutées sur la 'tête d'émission' : l'une pour évaporer in-situ de la matière (Ni, Cr, etc) et une autre pour la réalisation de bombardement électronique. Enn, cette installation possède une bride en éventail qui permet de pivoter mécaniquement la 'tête d'émission' an de la po- sitionner face à trois types de détecteurs :
◦ Le premier détecteur est constitué d'un MicroChannel Plate et d'un écran phos- phore. Le diagramme FEM obtenu sur l'écran phosphore est enregistré à l'aide d'une
caméra numérique et transféré sur un écran d'ordinateur via une interface d'acquisition.
Parallèlement à ces observations, nous pouvons mesurer simultanément la tension d'émis- sion VF E et le courant d'émission de champ IF E pour réaliser des courbes courant-tension de type Fowler-Nordheim.
◦ Le deuxième détecteur a été ajouté au dispositif permettant de mesurer de très faibles courants IF E inférieurs à 1 pA, valeur minimale mesurable par nos appareils de mesure conventionnels type Keithley. Il est composé d'un channeltron polarisé par une diérence de potentiel de 1300 V entre son entrée et sa sortie. Nous 'comptons' alors les électrons qui arrivent successivement à la sortie du channeltron et en mesurant le temps de parcours moyen, nous pouvons calculer des courant d'émission IF E pour diérentes tensions VF E qui atteignent des valeurs minimales jusqu'à 0,5.10−19A.
◦ Un troisième détecteur est constitué d'un écran phosphore percé d'une petite ouver- ture circulaire (trou sonde) servant d'entrée à un analyseur en énergie lui-même constitué d'un channeltron à sa sortie. Cet analyseur nous permet de mesurer des spectres énergé- tiques provenant d'une zone nanométrique de l'émetteur avec une résolution de 20 meV.
La combinaison du déplacement mécanique de l'émetteur et de l'ajustement électrosta- tique permet un bon alignement du faisceau électronique avec l'analyseur.
Enn un système d'entrée de gaz permet l'introduction d'une pression contrôlée d'ar- gon, d'azote, d'oxygène, etc, pour des traitements in-situ ou pour l'observation de dia- grammes FIM (Field Ion Microscopy). Plusieurs hublots permettent d'observer l'échan- tillon pendant l'émission de champ pour des mesures pyrométriques par exemple. No- tamment l'un d'entre eux est adéquat pour introduire un faisceau laser dans le système expérimental et irradier l'extrémité de la pointe W où est localisé le nanotube.
6.3 A la découverte du nanotube
I
dentiquement aux observations faites sur nos substrats pendant la croissance in-situ des nanotubes, les premières mesures expérimentales mettent en évidence un comportement instable du courantIF E de l'émetteur en fonction du temps, des courbes Fowler-Nordheim non linéaires et des diagrammes FEM qui font apparaître des tâches circulaires uctuantes et non représentatives de la véritable surface émettrice du nanotube. Ceci est caractéris- tique d'adsorbats à la surface du nanotube.Par conséquent, un long travail de désorption thermique a été apporté an de 'déga- zer' localement les adsorbats présents à l'extrémité du nanotube multifeuillet. Ceci a été réalisé en chauant progressivement la pointe W par eet Joule avec un courant continu pendant une durée variable. Lors de cette manipulation, nous arrêtons volontairement
6.4. DIAGRAMMES FEM DU NANOTUBE APRÈS DÉSORPTION THERMIQUE l'observation du diagramme FEM. A chaque n de cycle de chauage, le diagramme FEM est à nouveau visualisé an de constater l'évaporation progressive des adsorbats.
Cette manipulation se poursuit jusqu'à l'obtention d'un diagramme FEM faisant ap- paraître une signature particulière du MWNT couplé à une stabilité dans le temps du courant d'émission de champ et à la mesure de courbes Fowler-Nordheim linéaires sur une large gamme deIF E.
6.4 Diagrammes FEM du nanotube après désorption thermique
Figure 6.2 Visualisation de quelques diagrammes FEM stables obtenus sur le MWNT présenté dans ce chapitre après avoir procédé à plusieurs désorptions thermiques.
L
a gure 6.2 montre plusieurs formes du diagramme FEM obtenu sur le nanotube multifeuillet. Ces diagrammes présentent des similitudes avec les résultats obtenus sur des MWNT dans des conditions similaires [124, 111]. Les clichés présentés ont été obtenus pour diérentes tensions d'émission. Les premiers diagrammes FEM que nous observons sur l'écran phosphore sont obtenus lorsque le courantIF E atteint une valeur de 15 pA environ (l'ensemble MCP + écran phosphore étant polarisé à 0/1000/1400 V). La tension correspondante que nous avons mesurée est alors de VF E = −260 V, en accord avec les valeurs théoriques calculées pour l'émission de champ d'un nanotube individueldans cette conguration géométrique (Cf. Chapitre 2).