Simulation Monte-Carlo de réseaux alignés de nanostructures courbées de carbone

Les propriétés électriques des nanotubes de carbone font d'eux d'excellents candidats pour améliorer certaines composantes électroniques. Toutefois, leur taille nanométrique rend difficile toute production en masse basée sur leur positionnement précis dans un appareil. Il est plus évident de les utiliser dans des réseaux désordonnés. Les films transparents conducteurs, composantes nécessaires aux écrans tactiles et diodes électroluminescentes organiques, peuvent être produits à base de ces réseaux désordonnés de nanotubes de carbone. Augmenter la conductivité électrique de ces réseaux ainsi que diminuer leur seuil de percolation électrique permettrait de diminuer la quantité de nanotubes nécessaires à leur bon fonctionnement, découlant en une baisse des coûts de production, une augmentation de la transparence et une amélioration de la flexibilité des films transparents conducteurs. L'alignement des réseaux et la géométrie des nanotubes sont reconnus pour avoir un effet sur ces propriétés. Cette étude explore la possibilité d'améliorer la conductivité électrique et de diminuer le seuil de percolation électrique des réseaux de nanotubes de carbone en modifiant la courbure des nanostructures. Pour ce faire, des objets courbes ont été développés et ajoutés à l'algorithme Réseaux Percolatifs Hybrides - Hybrid Percolation Networks. Ensuite, la conductivité et le seuil de percolation de différents réseaux ont été obtenus en variant le paramètre de courbure des nanostructures et la distribution de probabilité de l'alignement de ceux-ci dans les réseaux. Nos résultats numériques démontrent que les réseaux de nanotubes de carbone parfaitement droits et moyennement alignés sont ceux ayant la conductivité électrique la plus importante et le seuil de percolation le plus bas. Les réseaux réels sont toutefois rarement constitués de tels nanotubes. Nos résultats démontrent alors qu'un réseau constitué de nanotubes de n'importe quelle courbure, un seuil de percolation minimal est atteint avec un alignement moyen. Pour ce qui est de la conductivité électrique des réseaux, celle-ci est maximisée avec des nanotubes légèrement courbés et avec un alignement moyen à élevé. En effet, plus un réseau contient de nanotubes, plus l'alignement doit augmenter pour atteindre la conductivité maximale. Les résultats de nos simulations donnent donc une piste à suivre aux expérimentateurs et aux industries pour obtenir des films transparents conducteurs à base de réseaux de nanotubes de carbone non rectilignes ayant une meilleure conductivité électrique et un seuil de percolation plus bas.

Abstract

The properties of carbon nanotubes make them excellent candidates to improve certain electronic components. However, their mass production based on positionning them precisely in a device is hindered by their nanometric size. Using them in disordered networks is more functional. Transparent conductive films, necessary components for tactile screens and organic light-emitting diodes, can be produced with disordered carbon nanotube networks. Increasing the electrical conductivity of these networks and decreasing the electrical percolation threshold would allow to decrease the amount of nanotubes needed. This in turn would decrease the cost of production, increase the transparency and improve the flexibility of the transparent conductive films. The carbon nanotubes alignement in these networks and their geometry are known to have an effect on those properties. This study explores the possibility of increasing the electrical conductivity and decreasing the electrical percolation threshold of carbon nanotube networks by modifying the curvature of the nanostructures. To this end, curved object have been developped and added to the Réseaux Percolatifs Hybrides - Hybrid Percolation Networks algorithm. Then, the conductivity and the percolation threshold of different networks have been obtained by varying the curvature parameter of the nanostructures and the probability distribution of their alignement in the networks. The numerical results demonstrate that networks of perfectly straight carbon nanotubes with medium alignement are the ones with the highest electrical conductivity and lowest electrical percolation threshold. Real networks are however rarely comprised of such nanotubes. Our results demonstrate that for any curvature, the lowest percolation threshold is achieved with a medium alignement. For the electrical conductivity, the highest value is obtained with slightly curved nanotubes with a medium to high alignement. This alignement actually needs to be proportional to the density of nanotubes in the networks to achieve the highest conductivity possible. The results of our simulations offer a lead for experimenters and industries to obtain transparent conductive films made of non-straight carbon nanotube networks with the highest electrical conductivity and lowest electrical percolation threshold.