Experimental systems developed to study water confined inside individual single-walled carbon nanotubes - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Experimental systems developed to study water confined inside individual single-walled carbon nanotubes

Development de systems experimentaux pour l'etude de l'eau confinee dans les nanotubes de carbone individuels monofeuillets

Said Pashayev
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1364235
  • IdRef : 273936654

Résumé

Although water is one of the most widespread material on the earth's surface and the most directly involved in a large number of phenomena, both natural and man-made; and although its molecule is made up of just 3 atoms, it still conceals many mysteries. Not all its physical and chemical properties are yet fully understood, especially when it is confined to nanometric spaces. It is therefore still the subject of in-depth fundamental studies. However, the many technical difficulties encountered when working at the nanometric scale mean that today, most published studies are theoretical rather than experimental. The need for experimental data is thus essential. This is the general framework to the experimental research reported in this thesis. The work carried out can be divided into two distinct parts, each of which aims to make a contribution to the current and futur experimental studies which will be carried out on water in a confined environment.The first part of the project involves the development of an experimental protocol for fabricating micro-platforms that are impervious to liquid water, partial water vapor pressure or vacuum. The fabrication of these microsystems is based on microlithography techniques and the use of SU-8 resin. We show that it is possible to produce waterproof and vacuum-tight microsystems with SU-8 walls no thicker than 100µm and 30µm high. The proposed protocol is therefore perfectly suited to the realization of Lab-on-Chip/nanofluidic micro-platforms dedicated to the study of water confined in a nanopore and to water nanofluidics.The second part reports on a study of the impact of water on the electrical behaviour of µ-field-effect transistors made of a single carbon nanotube channel (CNTFET). Microelectronics techniques to design and manufacture a µ-platform consisting of several microelectrodes in contact with a single nanotube are used. These electrodes made it possible either to carry out electrical measurements or, using the Joule effect, to open the nanotube at specific points and to heat it to temperatures high enough to eliminate all traces of water from its environment. The electrical response of the CNTFET as a function of the environment around the nanotube, i.e. liquid water, ambient air, vacuum, is analysed. A comparison is made between the responses obtained when the nanotube is closed or open. It is thus possible to propose a simplified qualitative model of interaction with water, and to distinguish the impact created by water adsorbed outside the tube from that associated with water confined within the tube. This pioneering work opens up many new prospects on water in the fields of nanofluidics and fundamental studies about its structure and the dynamics of its molecules in a confined environment. First and foremost, it will be used to develop a µ-measurement platform based on the electromechanical characteristics of a single carbon nanotube in the presence of water either solid, liquid ou vapour.
Bien que l'eau soit une des matières les plus répandues à la surface de la terre et directement impliquée dans un grand nombre de phénomènes, qu'ils soient naturels ou artificiels ; et bien que sa molécule ne soit constituée que de 3 atomes, elle recèle encore de nombreux de mystères. Toutes ses propriétés physiques et chimiques ne sont pas encore bien comprises, notamment lorsqu’elle se trouve confinée dans des espaces nanométriques. Elle fait donc toujours l'objet d'études fondamentales approfondies. Cependant, les nombreuses difficultés techniques rencontrées lorsque l’on veut travailler à l’échelle nanométrique font qu’aujourd’hui, l’essentiel des études publiées sont théoriques et non expérimentales. Le besoin d’obtenir des données expérimentales est indispensable.C’est dans ce contexte très général que s’inscrivent les recherches expérimentales rapportées dans cette thèse. Les travaux menés sont séparables en deux parties distinctes mais qui visent à apporter, de façons différentes, leur contribution à l’étude de l’eau en milieu confiné. La première partie consiste en la mise au point d’un protocole expérimental destiné à fabriquer des microsystèmes étanches à l’eau liquide, à des pressions partielles de vapeur d’eau ou à du vide. La fabrication de ces microsystèmes repose sur les techniques de microlithographie et sur l’utilisation de la résine SU-8. Nous montrons qu’il est possible de réaliser des microsystèmes imperméables à l’eau et étanches au vide dont les parois de SU-8 ne sont pas plus épaisses que 100µm et hautes de 30µm. Le protocole proposé s’avère donc tout à fait adapté à la réalisation de Lab-on-Chip/microplateformes de nanofluidique dédiées à l’étude de l’eau confinée et circulant dans un nanopore. La deuxième partie rapporte toute une étude sur l’impact de l’eau sur le comportement électrique de µ-transistors à effet de champ dont le canal est constitué d’un unique nanotube de carbone (CNTFET). La réalisation de cette étude à nécessiter de concevoir puis fabriquer par des techniques relevant de la microélectronique un µ- constitué de plusieurs microélectrodes au contact d’un seul nanotube ; ces électrodes permettant soit d’effectuer des mesures électriques soit par effet joule, d’ouvrir le nanotube à des endroits bien précis ou de le porter à des températures suffisamment élevées pour éliminer toute trace d’eau de son environnement. La réponse électrique du CNTFET en fonction de l’environnement autour du nanotube, i.e. eau liquide, air ambiant, vide, est analysée. Une comparaison est faite entre les réponses obtenues lorsque le nanotube est fermé ou ouvert. Il est ainsi possible de proposer un modèle qualitatif simplifié d’interaction avec l’eau et de distinguer l’impact créé par l’eau adsorbée à l’extérieur du tube de celui associé à l’eau confiné dans le tube. Ce travail pionnier ouvre de nombreuses perspectives dans les domaines de la nanofluidique de l’eau et des études fondamentales sur sa structure et la dynamique de ses molécules en milieu confiné. En tout premier lieu, il servira au développement d'une µ-plateforme de mesures fondés sur les caractéristiques électromécaniques d'un nanotube de carbone unique en presence d'eau solide, liquide ou vapeur.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04506491 , version 1 (15-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04506491 , version 1

Citer

Said Pashayev. Experimental systems developed to study water confined inside individual single-walled carbon nanotubes. Cristallography. Université de Montpellier; Academy of sciences of the Azerbaijan SSR, 2023. English. ⟨NNT : 2023UMONS027⟩. ⟨tel-04506491⟩
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