Etude in situ de la croissance des nanotubes de carbone par microscopie de polarisation homodyne

Les nanotubes de carbone représentent une classe fascinante de cristaux unidimensionnels, caractérisés par un rapport de forme très élevé (diamètre de l'ordre de 1 nm pour des longueurs typiques de 1 à 1000 µm). Ils présentent plusieurs structures cristallines possibles (également appelées chiralités) variant par leur diamètre et leur angle chiral et décrites par une paire d'indices (n,m) appelés indices d'Hamada. Des changements de chiralité (également appelées mutations) qui résultent de l'intégration de défauts topologiques (e.g. pentagones) peuvent être observés lors de leur croissance mais sans que l'origine soit pour l'instant comprise. Du point de vue du transport électronique, les nanotubes de carbone peuvent être soit métalliques (si n-m est multiple de 3), soit semi-conducteurs (dans le cas contraire) et présentent un transport balistique à température ambiante. Conséquence de leur nature unidimensionnelle, leurs propriétés optiques sont également remarquables, avec une absorption à des énergies précises et caractéristiques de chaque chiralité. Cependant, malgré leur potentiel extraordinaire, un défi majeur persiste : le contrôle précis de la structure des nanotubes de carbone reste difficile à obtenir lors de leur croissance.

La croissance des CNT repose sur un processus de CVD assisté par catalyseur. Dans ce processus, des nanoparticules métalliques agissent à la fois comme catalyseurs de croissance et comme gabarits pour la formation de nanotubes de diamètre proche de 1 nm. Dans des conditions standards, il n'y a pas ou peu de sélectivité structurale. La théorie prédit cependant que, dans certaines conditions, une sélectivité d’origine cinétique entre chiralité ou entre type M/SC devrait exister, même si cela n’a pas encore pu être mis en évidence expérimentalement.

Ce projet de recherche vise à mieux comprendre l’influence de la cinétique et des mutations sur la sélectivité de croissance des nanotubes de carbone, en répondant aux questions suivantes :

• Cinétique : La vitesse de croissance dépend-elle de la chiralité du nanotube et si oui, de quelle manière et dans quelles conditions ?
• Mutations : Quels stimuli (impulsions lumineuses, thermiques, chimiques ou électriques) sont les plus efficaces pour induire des changements de chiralité pendant la croissance d’un nanotube ? Est-ce que les mutations conduisent préférentiellement à certaines chiralités ou type M/SC ?

Des travaux précédents ont déjà eu pour objectif d’étudier la relation entre cinétique de croissance et chiralité du nanotube, en particulier à l’échelle de nanotubes uniques (Marchand et al., Nanoletters 9, 2961 (2009) ; Rao et al., Nature Mat. 11, 3 (2012) ; Otsuka et al., ACS Nano 12, 4 (2018)). Cependant, les approches utilisées n’ont pas permis d’étudier un nombre suffisant de nanotubes individuels pour obtenir des réponses statistiquement concluantes.

Le doctorant/ la doctorante s’intégrera dans une équipe de plusieurs chercheurs, enseignants-chercheurs et ingénieurs internationalement reconnue dans le domaine des nanotubes de carbone. Ce projet doctoral sera basé sur un dispositif unique développé dans notre laboratoire basé sur la microscopie optique de polarisation homodyne : comme nous l’avons démontré (Pimonov et al., Nano Lett. 2021, 21, 8495−8502 ; Förster et al ACS Nano 2023, 17, 8, 7135–7144), ce dispositif permet l’observation in situ de nanotubes de carbone individuels lors de leur croissance sur une surface en conditions réelles de croissance et avec une résolution temporelle jusqu’à 50 ms. Pour l’attribution de la structure cristalline (chiralité) de chaque nanotube, nous utiliserons la spectroscopie Raman de résonance dont notre équipe est un expert reconnu. L’analyse structurale sera complémentée par des études en microscopie électronique avec correction d’aberration en partenariat avec le CEA Grenoble (groupe d’Hanako Okuno). Enfin, le projet bénéficiera du soutien de nos collaborateurs experts en théorie et simulations : Christophe Bichara (DR CNRS, Cinam, Marseille), Daniel Förster (MC, Université d’Orléans), Daniel Hedman (CR, Ulsan, Corée du Sud).

Ce que nous offrons

• La formation à des méthodes d’investigation maitrisées par quelques équipes dans le monde : croissance de réseau de nanotubes alignés sur substrat monocristallin, microscopie de polarisation homodyne in situ...
• L’accès à des équipements à la pointe de la recherche en nanosciences : spectroscopie Raman de résonance, microscopie et spectroscopie de diffusion Rayleigh résonante, microfabrication en salle blanche…
• La participation à des conférences internationales et à l’école d’été internationale que nous organisons tous les deux ans sur les propriétés optiques des systèmes de basse dimensionnalité.
• Notre réseau de collaborations nationales et internationales constitué à la fois de partenaires académiques (e.g. MIT, Université de Tokyo, Université de Cambridge) et d’entreprises (e.g. C12 quantum electronics, TSMC).
• Des conditions de travail optimales dans des bâtiments de recherche entièrement rénovés, au cœur du campus des sciences de l’Université de Montpellier.
• A l’issue du doctorat, d’importantes opportunités de recrutement durant les dix prochaines années tant dans le secteur académique (en raison des nombreux départs à la retraite au sein des universités) que dans le secteur privé (avec l’essor industriel des nanotubes de carbone, cf. NAWAH ou C12 en France).

Si vous souhaitez postuler au concours de l’école doctorale I2S pour mener ce projet doctoral, contactez-nous dès maintenant à l’adresse vincent.jourdain(at)umontpellier.fr.

Calendrier pour le concours de l’école doctorale I2S

• Date limite de candidature au financement de l’ED I2S : 4 mai 
• Convocations par les présidents de commissions d’audition : avant le 14 mai
• Auditions des candidats présélectionnés : entre le 19 mai et le 10 juin
• Date de début du contrat doctoral : 1er octobre 2025

Contrat

• Durée : 3 ans
• Salaire : 2200 € brut d’octobre à décembre 2025, puis 2300 € brut à partir du 1er janvier 2026

Directeur de thèse 

• Pr Vincent Jourdain (Laboratoire Charles Coulomb, équipe nanomatériaux, axe nanostructures et spectroscopies)
• E-mail : vincent.jourdain(at)montpellier.fr

Profil : https://www.researchgate.net/profile/Vincent-Jourdain-2

• Laboratoire Charles Coulomb : www.coulomb.univ-montp2.fr
• Site web de l'Université de Montpellier : www.umontpellier.fr

• Titulaire d’un Master ou d’un diplôme d’ingénieur en Chimie, Physique ou Science des Matériaux à la date du 30 septembre 2025
• Forte motivation pour le travail de recherche expérimentale
• Forte motivation pour une carrière dans les métiers de la recherche en milieu académique ou en entreprise