WO2017191415A1 - Composite material based on vertically aligned carbon nanotubes and on a metal matrix - Google Patents

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WO2017191415A1
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composite
seconds
copper
nanotubes
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Alexandre SANGAR
Harald Hauf
Arthur DUPUY
Lionel Santinacci
Jesus Salvador Jaime Ferrer
Thomas Goislard De Monsabert
Laurence PAPCIAK
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Nawatechnologies
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    • C01B2202/00Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/08Aligned nanotubes

Definitions

  • Composite material based on vertically aligned carbon nanotubes and a metal matrix
  • the invention relates to the field of composite metal matrix materials comprising carbon nanotubes. More particularly, it relates to a composite material comprising vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) and a metal matrix, its manufacturing method, as well as its use as a thermal interface material.
  • VACNT vertically aligned carbon nanotubes
  • Carbon nanotubes are tubes of nanometric diameter whose walls consist of graphitic sheets (graphene sheets). Whether they have a single-walled wall or multi-walled wall, they have particular mechanical, thermal, electronic and structural properties; these properties reflect their strong structural anisotropy as indicated in the publication by Lukes et al. ("Thermal conductivity of individual single-wall carbon nanotubes", Journal of Heat Transfer, 129 (2007) 705-716). Many applications have been imagined taking advantage of these particular properties.
  • VACNT Very Aligned Carbon NanoTubes
  • Prasher Thermal interface materials: historical perspective, status, and future directions ", Proc. IEEE vol. 94 (2006) p.1571-1586) and Cola et al. (“Carbon nanotubes as high performance thermal interface materials", Electron Cool, vol.16 (2010) p10-15) describe the possibility of using a VACNT mat as thermal interface materials (TIM).
  • Thermal interface materials are used to evacuate the heat produced by electronic components with which they are in thermal contact.
  • thermal interface materials are phase change materials (PCM) or thermal greases whose thermal conductivity does not exceed 5 W / mK (see Otiaba et al., Microelectronics Reliability 51 (201 1) p. 2031-2043).
  • Thermal interface materials based on carbon nanofibers and copper have been described by Ngo et al. (Nano Letters 4 (2004) p.2403-2407). The copper was electrodeposited on a substrate previously coated with carbon nanofibers, to a maximum thickness of the order of 30 ⁇ .
  • Thermal interface materials are widely used to dissipate heat from electronic components (such as transistors, integrated circuits, LEDs) to a dissipator.
  • electronic components such as transistors, integrated circuits, LEDs
  • For Electronics "Electron, Cool, Mag, November 2005, see McNamara et al., International Journal of Thermal Sciences 62 (2012) p2-1 1).
  • thermal interface materials electronic device manufacturers need more efficient thermal interface materials.
  • heating structures can reach 150 ° C, and the thermal expansion coefficients of alumina (8.10 -6 K ⁇ 1 ) or aluminum nitride (4.10 -6 K ⁇ 1 ) being very far from that of copper (17.10 ⁇ 6 K ⁇ 1 ), a thermal interface material (solder joint) must be added between the substrate and the drain. Despite this seal, thermomechanical fatigue related to this difference in expansion coefficients is a major problem for the reliability of these modules. More reliable industrial solutions are known for replacing the copper drain, for example the Al / SiC composites or the Cu / Invar1 / Cu multilayers, but these alternatives have a high manufacturing cost, entail considerable difficulties in the production of copper.
  • thermal conductivity does not even reach 200 Wm ⁇ 1 .K ⁇ 1 , and is much lower than that of copper. Improving thermal interface materials on electronic boards can lead to increased component life and make their operation more stable. They can also be operated at higher power: thus the use of more efficient TIM ultimately improves the performance of electronic devices.
  • the main factors influencing the choice of a TIM are related to the quality of the connection with the electronic component in thermal contact (pressure exerted, applied limit stress, mechanical stability), and intrinsic thermal properties TIM such as the thermal conductivity K th , the thermal resistance R th or the coefficient of expansion or thermal expansion CTE (see Otiaba et al., "Emerging Nanotechnology-based Thermal Interface Materials for Automotive Electronic Control Unit Application", 18th IEEE European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC), September 201 1, p1-8, Schelling et al., "Managing Beat for Electronics," Materials Today vol.8 (2005) p.30-35, Gwinn et al., "Performance and Testing of Thermal Interface Materials", Microelectron J., 34 (2003) p.215-222).
  • This problem however also arises with VACNT carpets, as recognized in the aforementioned publications by Prasher et al. (2006) and Cola et al. (2010).
  • An object of the present invention is to overcome at least in part the disadvantages of the prior art mentioned above.
  • Another objective of the present invention is to propose TIMs with optimized and industrialized performances.
  • the above objectives are achieved by using metal matrix composite materials incorporating a VACNT mat, in which the metal matrix coats the VACNTs.
  • CNTs have excellent thermal conductivity in the direction of their length. Vertically aligned on a substrate, they form a "carpet" and give the latter the ability to conduct heat in the direction of its thickness, this thickness being defined by the average length of said VACNT.
  • the VACNTs deposited on a substrate are coated with a metal matrix to form a metal matrix composite incorporating a VACNT mat.
  • the heat flux diffuses in all directions. Copper is preferred because of its high intrinsic thermal conductivity ( ⁇ 400 Wm -1 .K -1 ).
  • the inclusion of VACNT in a metal matrix which surrounds them not only makes it possible to increase the overall thermal conductivity of the TIM but also to improve the distribution of the thermal flux in a preferred direction, namely perpendicular to its thickness.
  • VACNT in a metal matrix which enrobes them also makes it possible to reduce the coefficient of thermal expansion ("coefficient of thermal expansion" in English or CTE) of the metal matrix, ie to reduce the expansion of the volume of the metal matrix when operating the devices including them.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a composite material comprising vertically aligned nanotubes (VACNT) and a copper metal matrix, coating said nanotubes, said method comprising at least the following steps, namely: a) a supply of vertically aligned nanotubes (VACNT) deposited on a substrate,
  • said method being characterized in that: said at least one precursor is selected from the group consisting of: copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), copper formate, copper propionate; and in that
  • said electrochemical deposit is a galvanostatic electroplating.
  • the metal matrix of the composite material according to the invention completely encompasses vertically aligned nanotubes (VACNT).
  • the metal matrix is based on copper and the electrochemical deposition of copper is made from a bath, by a galvanostatic process, said bath comprising at least one precursor of metallic copper, such as a salt. copper, and at least one organic solvent.
  • the copper salt is selected from copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), copper formate, copper propionate, a mixture thereof.
  • the organic solvent is acetonitrile (C 2 H 3 N).
  • the vertically aligned nanotubes (VACNT) on said substrate are, prior to the electrochemical deposition, impregnated with a conductive ink, preferably comprising metallic particles, preferably of nanometric size.
  • these metal particles are chosen from particles of copper, gold, silver and / or metal alloys. The impregnation with a conductive ink VACNT previously deposited on a substrate improves the subsequent electrochemical deposition of the metal matrix.
  • the conductive ink is in aqueous solution.
  • the conductive ink may be dispersed in organic solution, such as in a ketone-based solution such as acetone, in a solution based on alcohols such as ethanol or isopropanol or in a solution comprising an ester, a fatty acid or an oil.
  • the vertically aligned nanotubes (VACNT) on said substrate are impregnated with a conductive ink of metal particles having a nanoparticle size less than or equal to 100 nm in diameter.
  • the VACNTs are multi-layered carbon nanotubes.
  • the substrate is chosen from electrically conductive substrates.
  • the substrate is selected from silicon, stainless steel, aluminum and metal alloys.
  • the electrochemical deposition of said matrix on said VACNT is performed by stationary galvanostatic plating or galvanostatic electrodeposition by pulsed currents.
  • step b) annealing of the obtained composite is carried out.
  • the annealing of the composite obtained is carried out at 400 ° C. under an inert atmosphere, preferably in an atmosphere in which the cumulative content of O 2 and H 2 O is less than 5 mass ppm.
  • said annealing is carried out under the action of a pulsed laser pulsed light source, preferably at an incident power P, of between 10 9 and 10 13 W / cm 2 for a period of time. t between 10 "12 and 10 " 9 seconds.
  • a pulsed laser pulsed light source preferably at an incident power P, of between 10 9 and 10 13 W / cm 2 for a period of time. t between 10 "12 and 10 " 9 seconds.
  • said annealing is carried out under the action of a continuous wave laser, preferably at an incident power P, of between 10 5 and 10 10 W / cm 2 for a time t between 10 "4 and 10 " 2 seconds.
  • said annealing is carried out in the presence of a reducing gas, preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen, preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen containing 5 mol% of hydrogen, and preferably at 1000 ° C for 10 min with a heating rate of 50 ° C / min.
  • a reducing gas preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen, preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen containing 5 mol% of hydrogen, and preferably at 1000 ° C for 10 min with a heating rate of 50 ° C / min.
  • said annealing is performed in a rapid thermal annealing furnace, preferably at an incident power P, comprised between 1 and 10 2 W / cm 2 for a time t comprised between 1 and 10 3 seconds.
  • the annealing of the composite is carried out by microwave, preferably at an incident power P, of between 1 and 10 2 W / cm 2 for a time t between 10 2 and 4 seconds.
  • the annealing of the composite is photonic annealing.
  • the photonic annealing is carried out at an incident power P of between 10 3 and 10 5 W / cm 2 for a time t between 10 "5 and 10 " 2 seconds.
  • the surface density of carbon nanotubes, relative to the surface of the substrate on which they have been deposited is between 10 9 / cm 2 and 10 11 / cm 2 and preferably between 3 ⁇ 10 9 / cm 2 and 5 x 10 10 / cm 2 .
  • a pulse current density J 0 + J peak is applied during periods of pulse t peak between 0.5 seconds and 5 seconds, preferably between 0.5 seconds and 3 seconds, and during which J peak is between -20 mA.cm “2 and -100 mA.cm “ 2 , preferably between -25 mA.cm “2 and -75 mA.cm “ 2 , and even more advantageously between -35 mA.cm “2 and -60 mA .cm “2 .
  • J 0 is between -20 mA.cm “2 and -30 mA.cm “ 2 , t 0 is between 2.5 seconds and 3.5 seconds, t peak is between 0.7 seconds and 1 , 3 seconds, and J eak is between -45 mA cm “2 and -55 mA cm “ 2 .
  • J 0 is between -23 mA.cm “2 and -27 mA.cm “ 2 , t 0 is between 2.7 seconds and 3.3 seconds, t peak is between 0.8 seconds and 1, 2 seconds, and J P e ak is between -47 mA.cm -2 and -53 mA.cm -2 .
  • Another subject of the invention is a composite comprising VACNTs embedded in a metallic copper matrix, capable of being prepared by a process according to the invention.
  • the surface density of carbon nanotubes of the composite, relative to the surface of the substrate on which they have been deposited is between 10 9 / cm 2 and 10 11 / cm 2 and preferably between 3 ⁇ 10 9 / cm 2 and 5 x 10 10 / cm 2 .
  • the length of said VACNT of the composite is greater than 200 ⁇ , preferably between 200 ⁇ and 400 ⁇ .
  • the volume fraction of the VACNT of the composite is between 5 and 8%.
  • the average distance between two adjacent nanotubes of the composite is between 40 nm and 100 nm.
  • the thermal conductivity of the composite in the direction of the tube, is greater than 300 W / mK
  • Another object of the invention is the use of a composite according to the invention as a thermal interface material, in particular in electronic devices.
  • Another object of the invention is the use of a composite according to the invention as an electrically conductive material, preferably in electrical cables.
  • Figure 1 illustrates various aspects of embodiments of the invention, without limiting its scope.
  • the nature of the solution serving as a galvanostatic bath influences the morphology of composite VACNT / metal matrix materials.
  • the apparent copper deposit depends on the impregnation of the germs. More specifically, when a galvanic bath containing copper sulphate is used, the copper is mainly deposited on the surface, giving a copper appearance to the composite material. Conversely, in the case where the copper is deposited in depth, and not on the surface, the composite material remains dark.
  • FIG. 1 presents scanning electron microscopy images of a VACNT carpet alone (FIG. 1 a), VACNT / Cu composite materials obtained by stationary galvanostatic electroplating (FIG. 1b, sample ECU006 '), composite materials VACNT / Cu obtained by pulsed galvanostatic electrodeposition ( Figure 1c, sample ECU013).
  • the morphology of VACNT / Cu composite materials observed at SEM confirms the presence of deep copper in the VACNT carpet as well as the alignment of VACNT within the composite material.
  • Figure 2 shows scanning electron micrographs of VACNT / Cu composite material obtained by potentiostatic electrodeposition ( Figure 2).
  • the sample 250 ⁇ thick, shown in Figure 2A was developed by introducing a substrate previously covered with a carpet of VACNT in a bath containing copper (solution of CuS0 4 0.6 M and d H 2 S0 4 to 1.85 M) and to apply a voltage of -0.9 V for 1 minute (see sample ECU054).
  • the sample shown in Figure 2B was developed as the sample ECU054 in a bath additionally comprising 100 mg of PEG.
  • the SEM images show that the copper is deposited on the surface of the VACNT carpet in a compact manner encapsulating the upper part of the carbon nanotubes without deep impregnation of the VACNT carpet.
  • FIG. 3 presents optical microscopy images as well as scanning electron microscopy images of VACNT / Cu composite materials obtained by stationary galvanostatic electroplating from a galvanic bath comprising a solution of copper sulphate (FIG. 3a and FIG. 3a). ) or a solution of copper acetate ( Figure 3b and Figure 3b ').
  • the nature of the solution serving as a galvanostatic bath influences the morphology of composite VACNT / metal matrix materials.
  • the apparent copper deposit depends on the impregnation of the seeds. More specifically, when a galvanic bath containing copper sulphate is used (cf Figure 3a), the copper is mainly deposited on the surface, giving this coppery appearance to the composite material. Conversely, in the case where the copper is deposited in depth, and not on the surface, the composite material remains dark (see Figure 3b where copper acetate is used in the electroplating bath).
  • Figure 4 shows a scanning electron micrograph of a VACNT / Cu composite material obtained by stationary galvanostatic electrodeposition from a bath comprising copper acetate (Sample ECU055) for 10 min at a low current density of - 200 mA.cm "2 .
  • FIG. 5 shows a scanning electron microscopy image of a VACNT / Cu composite material obtained by stationary galvanostatic plating from a bath comprising copper acetate (Sample ECU056) for 30 min at a low current density of -.. 32 mA.cm "2 Figure 6 shows electron micrographs scanning composites VACNT / Cu obtained by electrodeposition stationary galvanostatic The ECU055 sample is shown in Figure 6A sample ECU056 is shown in Figure 6B. . detailed description
  • thermal interface material any material used to transport and dissipate the heat emitted by an electronic component in contact with the TIM.
  • the "volume fraction" of the VACNT in the composite VACNT / metal matrix Î C NT is defined by the following formula: vnl ⁇ r û arm / rp cm
  • PCNT represents the density of the multi-layer carbon nanotubes in g / cm 3 measured by pycnometry (it is about 2.2 g / cm 3 )
  • p array represents the density of VACNT within the VACNT composite material / metal matrix in g / cm 3 .
  • p array is determined by the following ratio MCOM P ° STTE OR m composite , S composite , e composite
  • electrochemical deposition means any deposition carried out by an electrochemical method, preferably a potentiostatic electrochemical method or a galvanostatic electrochemical method, in particular of stationary or pulsed type.
  • the galvanostatic electrochemical method is preferred.
  • the present invention relates to novel metal matrix composite materials incorporating a "nanotube mat", that is, vertically aligned nanotubes (VACNTs) deposited on a substrate.
  • VACNT vertically aligned nanotubes
  • This substrate is substantially flat.
  • Said nanotubes are carbon nanotubes (CNTs), with a single or multiple wall, preferably multiple because these multi-layer nanotubes are easily industrializable.
  • the metal matrix is preferably copper because of its high thermal conductivity.
  • the metal matrix may also be silver, aluminum, tungsten or gold.
  • said VACNT / metal matrix composite materials can be obtained by a method in which a mat of vertically aligned nanotubes (VACNT) deposited on a substrate is supplied, and said metal matrix is deposited on said nanotubes vertically aligned by a technique.
  • electrochemical solution from a solution comprising the precursor (s) of said metal matrix which is in contact with said VACNT.
  • This electrochemical technique is preferably galvanostatic electroplating, and preferably a pulsed galvanostatic technique. Synthesis of vertically aligned nanotubes (VACNT) on a substrate
  • Carbon nanotubes can be synthesized according to various methods known per se, in particular by electric arc ablation, laser ablation, or chemical vapor deposition (CVD).
  • the vertically aligned carbon nanotubes are deposited by chemical deposition from a vapor phase (CVD).
  • CVD is a fast, inexpensive and industrially available method for producing high-performance, high-purity solid materials.
  • a first multi-step process is known as such (see Kukovitsky et al., "Correlation between metal catalyst particle size and carbon nanotube growth", Chemical Physics Letters vol.355, (2002) p.497-503 ) and most often requires the use of a reaction promoter (see Yasuda et al., "Improved and large area single-walled carbon nanotube forest growth by controlling the flow direction", ACS Nano vol.3, (2009)
  • This first process lends itself less to mass production than the one-step aerosol-assisted CCVD process, in which the catalyst and carbon precursors are simultaneously introduced into the reactor.
  • the catalyst nanoparticles are form in the gaseous phase and are then deposited on the substrate (see Castro et al., "The role of hydrogen in the aerosol-assisted chemical vapor deposition process in producing thin and densely packed vertically aligned carbon nanotubes", Carbon vol.61 ( 2013) p.585-594) where they constitute seeds for the nucleation and the continuous growth of carbon nanotubes at atmospheric pressure and without the addition of a promoter.
  • the development of VACNTs deposited on a substrate by the aerosol-assisted CCVD process can also be carried out in the presence of a promoter. This process is robust and quite simple to implement.
  • This aerosol assisted CCVD process is described in documents FR 2 841 233, FR 2 927 619 and FR 3 013 061.
  • the experimental setup is based on the use of aerosol generators which ensure the continuous supply of catalyst precursors and carbon precursors (for example, ferrocene dissolved in toluene) without any special preparation of the substrate.
  • This method makes it possible to typically obtain multi-layer NTC mats aligned directly on the walls of the reactor or on substrates of a different nature (silicon, quartz, carbon, metals) placed in the reactor.
  • the resulting nanotubes are typically free of highly crystalline carbon byproducts, with average diameters adjustable between 20 nm and 50 nm and a density of up to 10 10.
  • the reactor can be used at atmospheric pressure, and the synthesis temperature is typically in the range of 600 ° C to 1090 ° C.
  • the development of a multi-layer NTC mat vertically aligned on a substrate comprises a CVD synthesis step followed by a heat treatment step.
  • the substrate may be quartz, silicon, stainless steel, aluminum, and preferably an electrically conductive substrate.
  • the growth temperature of the VACNTs is chosen to be greater than or equal to the catalytic decomposition temperature of the carbon precursor and the thermal decomposition temperature of the catalyst precursor.
  • a minimum temperature of 650 ° C. is necessary and a temperature of 850 ° C. makes it possible to increase the kinetics of reaction.
  • the temperature of VACNT growth must also be adapted to the substrate. Indeed, the growth temperature of the VACNT must not exceed the melting temperature of the substrate so as not to alter the latter.
  • a substrate which supports a temperature of between 450 ° C. and 1090 ° C. (for example: silicon, quartz, alumina, glass, copper, steel, aluminum).
  • This substrate is placed in a CVD reactor (or furnace) for heating and injecting gases and aerosols.
  • gases and aerosols for example: silicon, quartz, alumina, glass, copper, steel, aluminum.
  • the air present in the reactor is expelled by injecting a neutral gas (for example Argon, Nitrogen or Helium) and / or by pumping.
  • the temperature of the oven is raised to the synthesis temperature, typically between 600 ° C. and 900 ° C. under a stream of neutral gas.
  • a reaction mixture of gases and vapors is then injected.
  • a typical volume composition of this reaction mixture consists of about 37% argon, about 28% hydrogen, about 28% acetylene and about 8% toluene vapors preheated to about 250 ° C in which about 10% is dissolved. % by weight of ferrocene.
  • the mixture can be obtained by injecting at a pressure close to atmospheric pressure 0.2 slm of argon, 0.15 slm. of hydrogen, 0.15 slm acetylene and 4.8 g / h of a toluene-ferrocene mixture with a ferrocene mass concentration of 10%.
  • Another typical volume composition of this reaction mixture consists of about 1/3 of hydrogen, about 1/3 of argon and about 1/3 of toluene vapors preheated to about 200 ° C. in which about 2.5% is dissolved. mass of ferrocene.
  • mass of ferrocene For example, for a reactor with a working section of 10 cm 2 , at a temperature of 850 ° C, can the mixture be be obtained by injecting at a pressure close to atmospheric pressure 1 slm of argon, 1 slm of hydrogen and 100 g / h of a toluene-ferrocene mixture with a ferrocene concentration equal to 2.5%.
  • VACNT mats with a thickness of between 600 ⁇ and 800 ⁇ .
  • the synthesis of VACNTs can be carried out on an oxide sub-layer such as Al 2 O 3 or SiO 2 alumina .
  • the use of an under-layer of oxide can make it possible to limit the diffusion of the catalyst into the substrate. , to promote its reactivity, to prolong its duration of effectiveness and to favor the synthesis of VACNT of small diameter.
  • vertically aligned carbon nanotubes the height of which can vary from micrometer to millimeter, as a function of temperature and duration.
  • the thermal treatment of VACNT is advantageously carried out.
  • the heat treatment of VACNT is carried out at a temperature of between 1900 ° C and 2100 ° C, and advantageously at about 2000 ° C for a time t, under an inert atmosphere of argon.
  • This heat treatment leads to the sublimation of iron (catalyst) and more generally to the purification of nanotubes, and it promotes the structural reorganization of nanotubes; thus, an increase in the atomic order (crystallinity) is observed, which results in the increase of the thermal conductivity.
  • the overall thermal conductivity of VACNT carpets is approximately 3.9 W / m.K. After heat treatment, the thermal conductivity of the VACNT mats is about 1 1 W / m.K.
  • the heat treatment of the VACNT is carried out for a time t of between 1 hour and 3 hours, preferably for approximately 2 hours with a temperature rise rate of the order of 10 ° C./min and a rate of descent of temperature of the order of 30 ° C / min.
  • the rise and fall rates in temperature have no impact on the structure of the VACNT carpet, they are chosen to optimize the operation of the heat treatment device.
  • the height of the VACNT mats produced is advantageously between 200 ⁇ and 1.5 mm. Below 200 ⁇ , the VACNT mat is not mechanically stable and the mat is friable.
  • the length of the nanotubes obtained is very homogeneous. For example, for a length of about 1000 ⁇ , the standard deviation is about ⁇ 50 ⁇ , preferably about ⁇ 25 ⁇ , and can even be as much as ⁇ 20 ⁇ . Standard deviation is a measure used to characterize the dispersion of a distribution or sample. A small standard deviation corresponds to a small dispersion.
  • the VACNT synthesis process can be optimized by modulating the proportions of precursors, catalysts such as ferrocene or the flow of inert gas so as to give the VACNT carpet a particular geometry where the carbon nanotubes are distributed. laterally with a spacing between the carbon nanotubes of between 40 and 100 nm.
  • the VACNT obtained are multi-layer nanotubes and their diameter is between 10 nm and 80 nm.
  • the density of carbon nanotubes in the composite VACNT / metal matrix is less than 5 ⁇ 10 11 / cm 2 , preferably is between 10 9 / cm 2 and 10 11 / cm 2 and even more preferably about 10 10 / cm 2. cm 2 depending on the type of substrate used. In this density range, the VACNT carpet is dense enough to give the composite a good mechanical strength while including sufficiently large interstices to allow the precursor of the metal matrix to penetrate deep into them.
  • the volume fraction of the CNT is between 5 and 8%.
  • One of the problems that the inventors have encountered is the homogeneous penetration of the metal between the nanotubes.
  • the depth of penetration depends both on the average spacing between nanotubes, which should not be too low, and the length of the nanotubes.
  • to increase the thermal conductivity in the direction of the carpet thickness it is preferable to have a large number of small diameter nanotubes rather than a small number of large diameter nanotubes.
  • the VACNT geometry has an inter-spacing between tubes of the order of 40 nm and 100 nm and a tube length / tube spacing ratio of between 1000: 1 and 2500: 1. According to the state of the art these geometric characteristics generally make difficult the deposition of copper in the interstices of the carpet.
  • the electrochemical deposition of a metallic copper matrix on the vertically aligned nanotubes can be performed by galvanostatic electrodeposition, in stationary or pulsed mode.
  • the metal matrix is deposited electrochemically (electrodeposition) in galvanostatic mode. This allows good penetration of the metal between the nanotubes.
  • the electrodeposition method has the advantage of easily filling the interstices between the different nanotubes of carbon. This controls the matrix filling rate in the VACNT carpet and thus adjusts the volume fraction of the matrix that is deposited.
  • the substrate previously covered with a VACNT mat is immersed in a bath containing the elements to be deposited and a direct current J is applied between an auxiliary electrode and a working electrode consisting of said substrate previously covered with VACNT.
  • This method makes it possible to impose a constant particle flux to the VACNT mat, while shifting the potential threshold, and ultimately to deposit the metal in the VACNT mat further in depth with respect to other deposition techniques including the method potentiostat.
  • the current J can be constant throughout the duration of the electroplating, or it can be pulsed.
  • the current density J applied during galvanostatic electroplating is advantageously between -100 mA.cm -2 and -10 mA.cm -2 , preferably between -75 mA.cm -2 and -15 mA cm -2 , and even more preferably between -50 mA.cm -2 and -15 mA.cm -2 .
  • the galvanostatic copper plating can be carried out with a stationary current density of approximately -25 mA cm -2 , which gives good results.
  • the galvanostatic bath advantageously comprises at least a metal precursor of said metal matrix such as a copper salt and at least one organic solvent
  • the copper salt may be copper sulphate and / or copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ) and acetonitrile (C 2 H 3 N)
  • the inventors have found with measurements by goniometer of wettability that acetonitrile promotes the impregnation of copper in the VACNT carpet.
  • the concentration of the solution containing Cu 2+ ions is advantageously between 0.3 mol / L and 0.6 mol / L, and advantageously about 0.3 mol / L.
  • the solution containing Cu 2+ ions precipitates.
  • copper sulphate the use of a copper acetate solution with the same molar concentration makes it possible to obtain a higher concentration of copper crystals, distributed more evenly over the VACNT-coated substrate.
  • the wetting quality of the solution comprising the precursor (s) on the VACNT carpet was characterized by goniometric contact angle measurements. The smaller the contact angle, the more the liquid wets the VACNT carpet.
  • the contact angle for copper sulphate is 130 °; that of the copper acetate is 100 ° indicating better wettability of the VACNT carpet by the copper acetate solution.
  • the total time of electroplating is a function of the thickness of the desired deposit and the current density applied during electroplating. Thus, for a thickness of the order of 250 ⁇ at a current density of approximately -50 mA.cm -2 , the total duration of electrodeposition is approximately 1 hour.
  • Electrochemical deposition of a metal matrix on said nano-tubes vertically aligned by a pulsed galvanostatic technique electrochemical deposition of a metal matrix on said nano-tubes vertically aligned by a pulsed galvanostatic technique (electrodeposition by pulsed currents)
  • electroplating is carried out in pulsed galvanostatic mode.
  • the pulsed current electrodeposition technique consists of immersing the substrate previously covered with VACNT in a bath containing ions of a metal to be deposited, and applying an electric current pulsed between a counter-electrode and a working electrode constituted by said substrate previously covered with VACNT; which leads to a variation of the potential as a function of time.
  • the pulsed mode is characterized by the alternation between a constant current of a first current density J 0 , applied for a time t 0 , and a constant current of a second density J peak , applied for a duration t pea k-
  • the current alternates rapidly between two different values, the initial current density, J 0 and the current density of the pulse corresponding to J peak + Jo-
  • the current density J peak is applied for a time t peak -
  • a current density J 0 is applied for a duration t 0 .
  • the optimal duration of the pulse depends on the nature and importance of the phenomena induced by the passage of the current, such as the depletion of the electroactive species diffusion layer or structural modifications. of the deposit.
  • the electroplating parameters were chosen in order to germinate small crystals in large quantities within the VACNT carpet, then to grow these seeds so as to encapsulate each carbon nanotube by the metal matrix.
  • the starting current density, J 0 is advantageously between -5 mA.cm 2 and -50 mA.cm -2 , preferably between -10 mA.cm -2 and -40 mA.cm -2 , and still more advantageously between -15 mA.cm -2 and -35 mA.cm -2 , a value of about -25 mA.cm -2 is particularly suitable with copper.
  • the current density of the pulse, J peak is between -20 mA.cm “2 and -100 mA.cm “ 2 , preferably between -25 mA.cm “2 and -75 m A.cm “ 2 , and even more preferably between -35 mA.cm -2 and -60 mA.cm -2 .
  • the period between two pulses t 0 is between 1 sec and 10 sec, preferably between 1, 5 sec and 5 sec, and even more preferably between 2 sec and 4 sec; a value of 3 seconds is particularly suitable.
  • the period of the pulse, t peak is advantageously between 0.5 sec and 5 sec, preferably between 0.3 sec and 3 sec, and preferably about 1 second.
  • the layer deposited by this method whether its structure, its appearance, its thickness can be modulated by parameters such as the starting current density, J 0 , the current density of the pulse, J peak , the pulse period, t peak , the period between two pulses t 0 and the total duration of electroplating t to t.
  • the modulation of these parameters makes it possible to influence in particular the germination, the size, the quantity of the deposited crystals and in fine on the composition and the thickness of the deposited layer.
  • the nucleation of crystals in large quantities and small sizes as well as the growth of crystals allowing the encapsulation of each carbon nanotube could be observed.
  • the copper deposition corresponds to a morphology of beads with a diameter ranging from about 1 ⁇ m to 5 ⁇ m or even 10 ⁇ m in pulsed galvanostatic mode.
  • the metal ions enter the bottom of the carpet, in the interstice between two nanotubes, to create a seed, which will grow laterally until completely filled. space available, which ends the ball's growth.
  • the stationary galvanostatic mode gives a less fine morphology, with balls of about 10 to 20 ⁇ in diameter, and the metal matrix thus deposited tends to be less dense in the center of the thickness than at the bottom of the carpet and close to its thickness. area. For these reasons, the pulsed-current embodiment of the galvanostatic plating is preferred.
  • Impregnation of the entire thickness of the VACNT carpet depends on the composition of the plating bath, the nature of the precursor of the metal matrix and the density of the CNTs in the carpet.
  • the galvanic bath used must contain in solution at least one copper precursor, ie copper ions Cu 2+.
  • solutions of copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), copper formate and / or copper propionate are used.
  • the Cu 2+ concentration of the solution containing Cu 2+ ions is between 0.3 mol / L and 0.6 mol / L, and advantageously about 0.3 mol / L.
  • the inventors have found that, with respect to copper sulphate, the use of a copper acetate solution with the same molar concentration makes it possible to obtain a higher concentration of crystals, distributed more evenly over the substrate coated with VACNT.
  • the galvanic bath comprises a solution of copper acetate, preferably at 0.3 mol / l.
  • the galvanic bath may contain acetonitrile.
  • Acetonitrile promotes the impregnation of copper seeds in the VACNT carpet.
  • the concentration of the galvanic acetonitrile bath is between 0.1 mmol / L and 1 mol / L, advantageously 0.5 mmol / L.
  • the concentration of electroactive species in the diffusion layer is also a parameter influencing the quality of the deposit.
  • the renewal of the galvanic bath makes it possible to recharge the bath with Cu 2+ ions and finally to obtain a high concentration of copper throughout the VACNT carpet with the presence of spheres, clusters of copper crystals, increasing in a homogeneous and isotropic way.
  • the galvanic bath is renewed at all times t, t being between 30 minutes and 5 hours, preferably between 1 hour and 4 hours, and even more preferably every 3 hours.
  • the total duration of the electroplating is a function of the thickness of the desired deposit.
  • the total duration of electroplating t to t is between 2.5 hours and 3.5 hours, preferably about 3 hours.
  • the total time of electroplating t to t is between 10 hours and 14 hours, preferably about 12 hours with a renewal of the solution every 3 or 4 hours.
  • VACNT / Cu composite was made and characterized by EDX.
  • the VACNT / Cu composite has a high concentration of metallic copper and carbon.
  • the morphology of the deposit observed at SEM confirms the presence of copper deep in the VACNT carpet and the alignment of VACNT within the composite material. VACNT alignment within the composite allows the composite material to maintain the unidirectional character of the nanotubes and increase the thermal conductivity of the composite.
  • the volume fraction of the CNTs in the composite VACNT / metal matrix is between 5 and 8% when the deposition of the metal matrix is carried out by stationary or pulsed galvanostatic electroplating.
  • the thermal diffusivity of the composite VACNT / metal matrix was measured from a flash analysis method, the differential scanning calorimetry specific heat in modulated mode and the bulk density was determined by measuring the mass of the composite and by measuring the thickness and surface of the composites to determine the volume of the composites.
  • the thermal conductivity of the elaborated VACNT / Cu composites is estimated between 300 and 385 W / mK.
  • the process according to the invention can also be implemented with vertically aligned carbon nanofibers. This embodiment is less preferred. With the methods of the state of the art, a surface density of vertically aligned carbon nanofibers is not as high as vertically aligned carbon nanotubes. This tends to reduce the thermal conductivity of the composite obtained.
  • an annealing (or sintering) of the composite can be carried out in order to improve the electrical conductivity, the thermal conductivity and the recrystallization of the metal.
  • This annealing facilitates the coalescence of the grains making it possible to increase the mechanical strength of the composite and to reduce the percentage of air present in the composite.
  • the annealing may be carried out under an inert atmosphere, for example with a percentage of 0 2 and H 2 O less than 5 ppm) at 400 ° C., using a heating plate.
  • the annealing can be carried out in a rapid thermal annealing furnace at 1000 ° C for 10 min at a rate of 50 ° C / min in the presence of a reducing gas, preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen, plus preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen containing 5 mol% of hydrogen.
  • a reducing gas preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen, plus preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen containing 5 mol% of hydrogen.
  • Photonic annealing can be achieved by exposing the VACNT / Cu composites to a high-intensity bright flash applied on the opposite side of the substrate, over an extremely short period ( ⁇ 10ms) and with a fairly wide spectrum that encompasses the visible spectrum.
  • a xenon arc lamp is suitable. This technique allows annealing in an uncontrolled atmosphere without elevation of temperature. This technique is particularly suitable for VACNT / Cu composites whose substrate is flexible and has a thermal resistance below 300 ° C.
  • the invention is illustrated below by examples which, however, do not limit the invention. These examples relate to a method for manufacturing metal matrix composite materials made from VACNT deposited on a substantially plane substrate, the characterization of these materials and their uses as thermal interface material.
  • VACNT vertically aligned nanotubes
  • NTCs vertically aligned on a 1 cm 2 surface silicon wafer were deposited by chemical vapor deposition (CVD).
  • the substrate was heated at a temperature of 850 ° C in an oven and then exposed to this temperature for 75 minutes to a gaseous mixture of toluene and ferrocene, which was introduced into the reaction chamber in the form of an aerosol in an argon flow.
  • the pressure was atmospheric. So we got a product called here "VACNT carpet".
  • VACNT mat of 1 cm 2 to 10 mg was obtained in which the carbon nanotubes have an average external diameter of 45 nm.
  • the density of the carpet (excluding substrate) was measured by pycnometry and was 2.2 g. cm "3, and the thickness of the mat (ie the length of the nanotubes) was 450 ⁇ about.
  • Other mats VACNT were prepared by the same method and used in the context of the manufacture of a composite material VACNT / copper matrix (see Tables 1 and 3 below). Manufacture of VACNT composite material / metal matrix by electroplating in stationary galvanostatic mode
  • Galvanostatic plating consists of immersing the substrate previously coated with VACNT in a bath containing the elements to be deposited (10 ml) and applying a constant current between an auxiliary electrode and a working electrode consisting of said substrate previously covered with VACNT; which leads to a variation of the potential as a function of time.
  • This method makes it possible to impose a constant particle flux to the VACNT mat, while shifting the potential threshold, and ultimately to deposit the metal in the VACNT mat further in depth with respect to other deposition techniques including the method potentiostat.
  • the VACNT carpet previously obtained was thus introduced into a galvanizing bath having a concentration of copper acetate or copper sulfate in the presence of acetonitrile as mentioned in Table 1 below.
  • the total time of electroplating was 1 hour. It was chosen according to the final thickness of the desired deposit of the order of 250 ⁇ .
  • Table 1 Experimental conditions for the elaboration of VACNT / Cu composites by electroplating in galvanostatic mode at a constant current density of -50 mA.cm -2
  • backface contact means an electrical contact 10 made on the surface of the VACNT mat detached from their substrate after synthesis, and this on the surface previously in contact with the substrate.
  • F. Av Front-face contact
  • the electrodeposition was stopped.
  • the samples were then extracted from the plating bath, rinsed with water (or with acetonitrile for sample ECU041) and then dried in the open air.
  • the samples were then analyzed by scanning electron microscope and shown in Figures 4 and 5, allowing us to evaluate the effect of the constituents of the plating bath.
  • Sample ECU055 was synthesized with front panel contact, and sample ECU056 by rear panel contact. SEM images of these samples are presented respectively in Figure 6A and 6B. A larger deposit on the surface is observed for the sample ECU055 which has been synthesized with a contact on the front face than on the back. The contact on the back side promotes better impregnation of copper throughout the carpet.
  • VACNT carpet was introduced into a galvanizing bath (10 mL) having a concentration of copper acetate or copper sulfate in the absence or in the presence of acetonitrile as mentioned in Table 1, as well as the galvanostatic electrodeposition parameters by selected pulsed currents.
  • sample ECU019 In the case of sample ECU019, a renewal of the galvanic bath (10 ml) was carried out every hour in order to reload the solution. The renewal of the galvanic bath has resulted in a high concentration of copper throughout the carpet, with the presence of spheres, clusters of copper crystals, growing homogeneously and isotropically. After synthesis, the electrodeposition was stopped. The samples were then extracted from the plating bath, rinsed with water and then dried in the open air. The samples were then analyzed by scanning electron microscope and presented in Figure 1c. In the case of sample ECU015, 100 mg of polyethylene glycol (PEG) was added to the plating bath. The addition of PEG to the galvanic bath has no effect on the final structure of the VACNT / Cu composite obtained.
  • PEG polyethylene glycol
  • the copper deposit observed was consistent and consistent, but when rinsing with acetonitrile, all the deposited copper oxidized, and detached from the carpet. The result is a densified carpet without copper.
  • the use of water or oily compounds to rinse the VACNT / Cu composites after synthesis makes it possible to avoid the formation of cracks in the composite during drying.
  • VACNT / Cu composites The thermal diffusivity of VACNT / Cu composites was determined by the Flash method.
  • the VACNT / Cu composite was illuminated by a high energy radiation sink of a xenon lamp (XFA).
  • the energy produced by the XFA was absorbed by the front face of the sample.
  • the temperature of the back side of the sample was measured as a function of time. Diffusivity was determined according to the law issued by Parker et al. (Cf. Parker et al., "Flash Method of Determining Thermal Diffusion, Heat Capacity, and
  • the thermal diffusivity of the carpet VACNT alone is approximately 9.5 ⁇ 10 6 mm 2 / s.
  • the thermal diffusivity of the composite VACNT / Cu is estimated between 1 16 and 1 17 mm 2 / s, in particular according to the following equation
  • Composite ⁇ ⁇ composite- CPcomposite - ⁇ ⁇ ⁇ Composite -Composite SSt thermal COndUCtlVlté composite VACNT / Cu composite Cp specific heat and p Composite density of the composite is determined as follows.
  • the contact resistance between these two materials is considered to be zero and it is considered that there is no transverse heat exchange between the materials.
  • the volume fraction of vertically aligned nanotubes (CNTs) in the VACNT / Cu composite is determined experimentally by comparing the theoretical density of CNTs with that measured with the helium pycnometer.
  • the volume fraction of the vertically aligned nanotubes, V f% C was determined experimentally and is 5.2%.
  • the volume fraction of the CNTs in the composite is between 5 and 8%.
  • the volume fraction of the copper in the composite is from about 92 to about 95%.
  • the specific heat Cp and the density of the VACNT / Cu composite were measured.
  • the specific heat of the VACNT / Cu (Cp) composite is 425 ⁇ 20 J.kg -1 .K -1 at 25 ° C; and the density of the VACNT / Cu (p) composite is 7540 ⁇ 178 kg.m- 3 .
  • the equation [1] for thermal conductivity can also be written by explaining the specific heat and the density according to equation [2]:
  • V f% air and that of the copper V f % copper were estimated from the following equation [3]:
  • volume fraction could thus be estimated and presented hereafter according to the data presented in the following estimation table, showing the theoretical determination of the specific heat and the density (see Table 5) according to previous parameters and variable parameters that are the volume fractions of air and copper.
  • Table 5 Theoretical determination of the specific heat and density of the VACNT / Cu composite as a function of volume fractions of air and copper
  • VACNT / Cu composites obtained by galvanostatic electrodeposition by pulsed currents exhibit a greater copper impregnation than those obtained by stationary galvanostatic electroplating.
  • the VACNT carpet previously obtained was introduced into an electrodeposition bath having a copper sulfate concentration in the absence or in the presence of acetonitrile and additives such as polyethylene glycol (PEG), chloride ions (Cl ), bis (3-sulfopropyl) disulfide (SPS) or Janus Green B (JGB) as mentioned in Table 7 below, as well as the electrodeposition parameters chosen.
  • PEG polyethylene glycol
  • Cl chloride ions
  • SPS bis (3-sulfopropyl) disulfide
  • JGB Janus Green B
  • PEG Polyethylene Glycol
  • SPS bis (3-sulfopropyl) disulfide
  • JGB Green B
  • FIG 2 shows the observation by SEM of the sample ECU054 free of additive (see Figure 2A) and that prepared in the presence of PEG (ECU022, see Figure 2B). In both cases, the copper deposit is surface. No impregnation of copper by the carpet was observed.

Abstract

Process for manufacturing a composite material comprising vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) and a copper metal matrix coating said nanotubes, said process comprising at least the following steps: a) a provision of vertically aligned nanotubes (VACNT) deposited on a substrate, b) the electrochemical deposition of said metal matrix on said vertically aligned nanotubes from a solution that is in contact with said VACNTs, said solution comprising at least one precursor of said metal matrix and at least one organic solvent, said process being characterized in that: - said at least one precursor is selected from the group formed by: copper acetate (Cu(CH3COO)2), copper formate, copper propionate; and in that - said electrochemical deposition is a galvanostatic electrodeposition.

Description

Matériau composite à base de nanotubes de carbone verticalement alignés et d'une matrice métallique  Composite material based on vertically aligned carbon nanotubes and a metal matrix
Domaine technique de l'invention Technical field of the invention
L'invention concerne le domaine des matériaux composites à matrice métallique comprenant des nanotubes de carbone. Plus particulièrement, elle concerne un matériau composite comprenant des nanotubes de carbone verticalement alignés (VACNT) et une matrice métallique, son procédé de fabrication, ainsi que son utilisation comme matériau d'interface thermique. The invention relates to the field of composite metal matrix materials comprising carbon nanotubes. More particularly, it relates to a composite material comprising vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) and a metal matrix, its manufacturing method, as well as its use as a thermal interface material.
Etat de la technique State of the art
Les nanotubes de carbone (abrégés souvent « CNT », Carbon NanoTubes) sont des tubes de diamètre nanométrique dont les parois sont constituées de feuillets graphitiques (feuilles de graphène). Qu'ils soient à paroi mono-feuillet ou à paroi multi-feuillets, ils présentent des propriétés mécaniques, thermiques, électroniques et structurelles particulières ; ces propriétés reflètent leur forte anisotropie structurelle comme l'indique la publication de Lukes et al. (« Thermal conductivity of individual single-wall carbon nanotubes », Journal of Heat Transfer, vol. 129 (2007) p.705-716). On a imaginé de nombreuses applications tirant profit de ces propriétés particulières. Carbon nanotubes (abbreviated often as "CNT", Carbon NanoTubes) are tubes of nanometric diameter whose walls consist of graphitic sheets (graphene sheets). Whether they have a single-walled wall or multi-walled wall, they have particular mechanical, thermal, electronic and structural properties; these properties reflect their strong structural anisotropy as indicated in the publication by Lukes et al. ("Thermal conductivity of individual single-wall carbon nanotubes", Journal of Heat Transfer, 129 (2007) 705-716). Many applications have been imagined taking advantage of these particular properties.
On a ainsi préparé des matériaux polymères chargés de nanotubes, qui ont été utilisés pour la fabrication de raquettes de tennis, tirant profit de propriétés mécaniques alliant résistance et flexibilité. On a également envisagé de tirer profit de leur haute conductivité électronique dans le sens de la longueur des tubes (cf. Huard et al., « Vertically aligned carbon nanotube-based composite: Elaboration and monitoring of the nanotubes alignment », Journal of Applied Polymer Science, vol.131 (2014) p. 1 -6). Leur conductivité thermique est également très anisotrope, élevée dans le sens de la longueur du tube. Kim et al. (« Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes », Phys. Rev. Lett, vol. 87 (2001 ) 215502), et Hu et al. (« 3-omega measurements of vertically oriented carbon nanotubes on silicon », Journal of Heat Transfer, vol. 128 (2006) p.1 109-1 1 13) ont annoncé des conductivités intrinsèques de l'ordre de 3000 W/mK pour un CNT isolé. Thus, polymeric materials loaded with nanotubes were prepared, which were used for the manufacture of tennis rackets, taking advantage of mechanical properties combining strength and flexibility. It has also been envisaged to take advantage of their high electronic conductivity in the direction of the length of the tubes (see Huard et al., "Vertically aligned carbon nanotube-based composite: Elaboration and monitoring of the nanotubes alignment", Journal of Applied Polymer Science, vol.131 (2014) pp. 1-6). Their thermal conductivity is also very anisotropic, high in the direction of the length of the tube. Kim et al. ("Thermal Transport Measurements of Individual Multiwalled Nanotubes", Phys Rev. Lett, 87 (2001) 215502), and Hu et al. ("3-omega measurements of vertically oriented carbon nanotubes on silicon", Journal of Heat Transfer, vol 128 (2006) p.1 109-1 1 13) have announced intrinsic conductivities of the order of 3000 W / mK for an isolated CNT.
Depuis une dizaine d'années on sait déposer des CNT verticalement alignés sur un substrat ; ce produit est connu sous le sigle VACNT (Vertically Aligned Carbon NanoTubes). Prasher (« Thermal interface materials: historical perspective, status, and future directions », Proc. IEEE vol. 94 (2006) p.1571 -1586) et Cola et al. (« Carbon nanotubes as high performance thermal interface materials », Electron. Cool. vol.16 (2010) p10-15) décrivent la possibilité d'utiliser un tapis de VACNT comme matériaux d'interface thermique (TIM - Thermal Interface Materials). Les matériaux d'interface thermique servent à évacuer la chaleur produite par des composants électroniques avec lesquels ils sont en contact thermique. Les auteurs observent sur un tapis de VACNT déposé sur un cristal de silicium que la conductivité thermique dans le sens de l'épaisseur (i.e. parallèle à la longueur des tubes alignés) est beaucoup plus élevée que celle des matériaux d'interface thermique commercialement disponibles. Les matériaux d'interface thermique usuels sont des matériaux à changement de phase (PCM) ou encore des graisses thermiques dont la conductivité thermique ne dépasse pas 5 W/m.K (cf. Otiaba et al., Microelectronics Reliability 51 (201 1 ) p.2031 -2043). Des matériaux d'interface thermique à base de nanofibres de carbone et de cuivre ont été décrits par Ngo et al. (Nano Letters 4 (2004) p.2403-2407). Le cuivre a été électrodéposé sur un substrat préalablement recouvert de nanofibres de carbone, sur une épaisseur maximum de l'ordre de 30 μηι. For ten years it has been known to deposit CNT vertically aligned on a substrate; this product is known as VACNT (Vertically Aligned Carbon NanoTubes). Prasher ("Thermal interface materials: historical perspective, status, and future directions ", Proc. IEEE vol. 94 (2006) p.1571-1586) and Cola et al. ("Carbon nanotubes as high performance thermal interface materials", Electron Cool, vol.16 (2010) p10-15) describe the possibility of using a VACNT mat as thermal interface materials (TIM). Thermal interface materials are used to evacuate the heat produced by electronic components with which they are in thermal contact. The authors observe on a VACNT mat deposited on a silicon crystal that the thermal conductivity in the thickness direction (ie parallel to the length of the aligned tubes) is much higher than that of commercially available thermal interface materials. The usual thermal interface materials are phase change materials (PCM) or thermal greases whose thermal conductivity does not exceed 5 W / mK (see Otiaba et al., Microelectronics Reliability 51 (201 1) p. 2031-2043). Thermal interface materials based on carbon nanofibers and copper have been described by Ngo et al. (Nano Letters 4 (2004) p.2403-2407). The copper was electrodeposited on a substrate previously coated with carbon nanofibers, to a maximum thickness of the order of 30 μηι.
Les matériaux d'interface thermique sont largement utilisés pour dissiper la chaleur des composants électroniques (tels que transistors, circuits intégrés, LED) vers un dissipateur. La miniaturisation des dispositifs électroniques, la compacité des circuits électroniques et l'accroissement du nombre de composants par unité de surface entraînent une augmentation de la densité d'énergie à évacuer sous forme de chaleur (cf. Lasance, « Advances In High-Performance Cooling For Electronics », Electron. Cool. Mag. November 2005, cf. McNamara et al., International Journal of Thermal Sciences 62 (2012) p2-1 1 ). Bien qu'il existe de nombreux matériaux d'interface thermique, les fabricants de dispositifs électroniques ont besoin de matériaux d'interface thermique plus efficaces. Thermal interface materials are widely used to dissipate heat from electronic components (such as transistors, integrated circuits, LEDs) to a dissipator. The miniaturization of electronic devices, the compactness of electronic circuits and the increase in the number of components per unit of surface cause an increase in the energy density to be dissipated in the form of heat (see Lasance, "Advances In High-Performance Cooling"). For Electronics, "Electron, Cool, Mag, November 2005, see McNamara et al., International Journal of Thermal Sciences 62 (2012) p2-1 1). Although there are many thermal interface materials, electronic device manufacturers need more efficient thermal interface materials.
A titre d'exemple, B. Vergne (« Mise en forme de composites NanoTubes de Carbone/Alumine et modélisation de leur conductivité thermique », thèse N°142007, Université de Limoges (2007)) souligne l'importance d'avoir des matériaux d'interface thermique présentant à la fois une bonne conductivité thermique ainsi qu'une bonne cohésion thermomécanique avec les matériaux en contact, dans le but d'optimiser la fiabilité des modules de puces. Dans le domaine de l'électronique de puissance, la chaleur dégagée par les puces électroniques en fonctionnement est de l'ordre de 0,4 W mm"2 (Dunn et al., J. Appl. Phys. 73(4) (1993) p171 1 -1722). Pour dissiper cette chaleur on ajoute un drain thermique sous le substrat céramique (généralement composé d'alumine ou bien en nitrure d'aluminium). Actuellement, ces drains sont en cuivre, car la conductivité thermique de ce métal est élevée (400 W.m~1.K~1). La fiabilité de ces modules puces en silicium /substrat céramique/drain en cuivre repose essentiellement sur une bonne cohésion thermomécanique entre le substrat et le drain thermique. Dans ces structures réchauffement des puces en silicium peut atteindre 150°C, et les coefficients de dilatation thermique de l'alumine (8.10-6 K~1) ou du nitrure d'aluminium (4.10-6 K~1) étant très éloignés de celui du cuivre (17.10~6 K~1), un matériau d'interface thermique (joint de brasure) doit être ajouté entre le substrat et le drain. Malgré ce joint, la fatigue thermomécanique liée à cette différence des coefficients de dilatation constitue un problème majeur pour la fiabilité de ces modules. On connaît des solutions industrielles plus fiables pour remplacer le drain en cuivre, par exemple les composites Al/SiC ou les multicouches Cu/lnvar1/Cu, mais ces solutions de remplacement présentent un coût de fabrication élevé, entraînent d'importantes difficultés lors de l'usinage, et leur conductivité thermique n'atteint même pas 200 W.m~1.K~1, et est bien inférieure à celle du cuivre. L'amélioration des matériaux d'interface thermique sur les cartes électroniques peut induire une augmentation de la durée de vie de composants et rendre leur fonctionnement plus stable. On peut aussi les faire fonctionner à puissance plus élevée: ainsi l'utilisation de TIM plus performants permet in fine d'accroître les performances des dispositifs électroniques. Selon l'application des composants électroniques, les principaux facteurs influençant le choix d'un TIM sont liées à la qualité de la liaison avec le composant électronique en contact thermique (pression exercée, contrainte limite appliquée, stabilité mécanique), et aux propriétés thermiques intrinsèques du TIM telles que la conductivité thermique Kth, la résistance thermique Rth ou le coefficient d'expansion ou de dilatation thermique CTE (cf. Otiaba et al., « Emerging Nanotechnology-based Thermal Interface Materials for Automotive Electronic Control Unit Application », 18th IEEE European Microelectronics and Packaging Conférence (EMPC), septembre 201 1 , p1 -8 ; Schelling et al,. « Managing beat for electronics », Materials Today vol.8 (2005) p.30-35 ; Gwinn et al., « Performance and testing of thermal interface materials », Microelectron J., 34 (2003) p.215-222). Ce problème se pose cependant aussi avec les tapis de VACNT, comme reconnu dans les publications précitées de Prasher et al. (2006) et de Cola et al. (2010). For example, B. Vergne ("Shaping carbon / Alumina NanoTubes composites and modeling their thermal conductivity", Thesis N ° 142007, University of Limoges (2007)) underlines the importance of having materials thermal interface having both good thermal conductivity and good thermomechanical cohesion with the materials in contact, in order to optimize the reliability of the chip modules. In the field of power electronics, the heat generated by the electronic chip in operation is of the order of 0.4 W mm "2 (Dunn et al., J. Appl. Phys. 73 (4) (1993 To dissipate this heat, a heat sink is added under the ceramic substrate (usually composed of alumina or aluminum nitride) .These drains are made of copper because the thermal conductivity of this metal is high (400 Wm ~ 1 .K ~ 1 ). The reliability of these Silicon chips / ceramic substrate / copper drain module modules essentially rely on good thermomechanical cohesion between the substrate and the heat sink. In these silicon chips heating structures can reach 150 ° C, and the thermal expansion coefficients of alumina (8.10 -6 K ~ 1 ) or aluminum nitride (4.10 -6 K ~ 1 ) being very far from that of copper (17.10 ~ 6 K ~ 1 ), a thermal interface material (solder joint) must be added between the substrate and the drain. Despite this seal, thermomechanical fatigue related to this difference in expansion coefficients is a major problem for the reliability of these modules. More reliable industrial solutions are known for replacing the copper drain, for example the Al / SiC composites or the Cu / Invar1 / Cu multilayers, but these alternatives have a high manufacturing cost, entail considerable difficulties in the production of copper. machining, and their thermal conductivity does not even reach 200 Wm ~ 1 .K ~ 1 , and is much lower than that of copper. Improving thermal interface materials on electronic boards can lead to increased component life and make their operation more stable. They can also be operated at higher power: thus the use of more efficient TIM ultimately improves the performance of electronic devices. Depending on the application of the electronic components, the main factors influencing the choice of a TIM are related to the quality of the connection with the electronic component in thermal contact (pressure exerted, applied limit stress, mechanical stability), and intrinsic thermal properties TIM such as the thermal conductivity K th , the thermal resistance R th or the coefficient of expansion or thermal expansion CTE (see Otiaba et al., "Emerging Nanotechnology-based Thermal Interface Materials for Automotive Electronic Control Unit Application", 18th IEEE European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC), September 201 1, p1-8, Schelling et al., "Managing Beat for Electronics," Materials Today vol.8 (2005) p.30-35, Gwinn et al., "Performance and Testing of Thermal Interface Materials", Microelectron J., 34 (2003) p.215-222). This problem however also arises with VACNT carpets, as recognized in the aforementioned publications by Prasher et al. (2006) and Cola et al. (2010).
Un objectif de la présente invention est de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur évoqués ci-dessus. An object of the present invention is to overcome at least in part the disadvantages of the prior art mentioned above.
Un autre objectif de la présente invention est de proposer des TIM aux performances optimisées et industrialisâmes. Objets de l'invention Another objective of the present invention is to propose TIMs with optimized and industrialized performances. Objects of the invention
Selon l'invention, les objectifs ci-dessus sont atteints au moyen de matériaux composites à matrice métallique incorporant un tapis de VACNT, dans lesquels la matrice métallique enrobe les VACNT. Les CNT présentent une excellente conductivité thermique dans le sens de leur longueur. Verticalement alignés sur un substrat, ils forment un « tapis » et confèrent à ce dernier la capacité de conduire la chaleur dans le sens de son épaisseur, cette épaisseur étant définie par la longueur moyenne desdits VACNT. According to the invention, the above objectives are achieved by using metal matrix composite materials incorporating a VACNT mat, in which the metal matrix coats the VACNTs. CNTs have excellent thermal conductivity in the direction of their length. Vertically aligned on a substrate, they form a "carpet" and give the latter the ability to conduct heat in the direction of its thickness, this thickness being defined by the average length of said VACNT.
Selon l'invention, on enrobe les VACNT déposés sur un substrat par une matrice métallique pour former un composite à matrice métallique intégrant un tapis de VACNT. Dans la matrice métallique le flux de chaleur diffuse dans toutes les directions. Le cuivre est préféré à cause de sa forte conductivité thermique intrinsèque (~ 400 W.m"1.K"1). Ainsi, l'inclusion de VACNT dans une matrice métallique qui les enrobe permet non seulement d'augmenter la conductivité thermique globale du TIM mais également d'améliorer la distribution du flux thermique dans une direction préférentielle, à savoir perpendiculairement à son épaisseur. L'inclusion de VACNT dans une matrice métallique qui les enrobe permet aussi de diminuer le coefficient de dilatation thermique (« coefficient of thermal expansion » en anglais ou CTE) de la matrice métallique, i.e. de diminuer l'expansion du volume de la matrice métallique lors de la mise en fonctionnement des dispositifs les incluant. According to the invention, the VACNTs deposited on a substrate are coated with a metal matrix to form a metal matrix composite incorporating a VACNT mat. In the metal matrix, the heat flux diffuses in all directions. Copper is preferred because of its high intrinsic thermal conductivity (~ 400 Wm -1 .K -1 ). Thus, the inclusion of VACNT in a metal matrix which surrounds them not only makes it possible to increase the overall thermal conductivity of the TIM but also to improve the distribution of the thermal flux in a preferred direction, namely perpendicular to its thickness. The inclusion of VACNT in a metal matrix which enrobes them also makes it possible to reduce the coefficient of thermal expansion ("coefficient of thermal expansion" in English or CTE) of the metal matrix, ie to reduce the expansion of the volume of the metal matrix when operating the devices including them.
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau composite comprenant des nanotubes verticalement aligné(e)s (VACNT) et une matrice métallique de cuivre, enrobant lesdits nanotubes, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes, à savoir : a) un approvisionnement de nanotubes verticalement aligné(e)s (VACNT) déposé(e)s sur un substrat, The present invention relates to a method of manufacturing a composite material comprising vertically aligned nanotubes (VACNT) and a copper metal matrix, coating said nanotubes, said method comprising at least the following steps, namely: a) a supply of vertically aligned nanotubes (VACNT) deposited on a substrate,
b) le dépôt électrochimique de ladite matrice métallique sur lesdit(e)s nanotubes verticalement aligné(e)s à partir d'une solution qui est en contact avec lesdits VACNT, ladite solution comprenant au moins un précurseur de ladite matrice métallique et au moins un solvant organique,  b) the electrochemical deposition of said metal matrix on said nanotubes vertically aligned from a solution which is in contact with said VACNTs, said solution comprising at least one precursor of said metal matrix and at least one an organic solvent,
ledit procédé étant caractérisé en ce que : ledit au moins un précurseur est sélectionné dans le groupe formé par : l'acétate de cuivre (Cu(CH3COO)2), le formiate de cuivre, le propionate de cuivre ; et en ce que said method being characterized in that: said at least one precursor is selected from the group consisting of: copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), copper formate, copper propionate; and in that
ledit dépôt électrochimique est une électrodéposition galvanostatique.  said electrochemical deposit is a galvanostatic electroplating.
Dans un mode de réalisation avantageux, la matrice métallique du matériau composite selon l'invention, englobe complètement les nanotubes verticalement alignés (VACNT). In an advantageous embodiment, the metal matrix of the composite material according to the invention completely encompasses vertically aligned nanotubes (VACNT).
Dans un mode de réalisation avantageux la matrice métallique est à base de cuivre et le dépôt électrochimique du cuivre est réalisé à partir d'un bain, par un procédé galvanostatique, ledit bain comprenant au moins un précurseur du cuivre métallique, tel qu'un sel de cuivre, et au moins un solvant organique. Avantageusement, le sel de cuivre est choisi parmi de l'acétate de cuivre (Cu(CH3COO)2), le formiate de cuivre, le propionate de cuivre, un mélange de ceux-ci. Avantageusement, le solvant organique est l'acétonitrile (C2H3N). Dans un mode de réalisation, avant l'étape b), les nanotubes verticalement alignés (VACNT) sur ledit substrat sont, préalablement au dépôt électrochimique, imprégnés par une encre conductrice, de préférence comprenant des particules métalliques, de préférence de taille nanométrique. Avantageusement, ces particules métalliques sont choisies parmi des particules de cuivre, d'or, d'argent et/ou d'alliages métalliques. L'imprégnation par une encre conductrice des VACNT préalablement déposés sur un substrat permet d'améliorer le dépôt électrochimique ultérieur de la matrice métallique. In an advantageous embodiment, the metal matrix is based on copper and the electrochemical deposition of copper is made from a bath, by a galvanostatic process, said bath comprising at least one precursor of metallic copper, such as a salt. copper, and at least one organic solvent. Advantageously, the copper salt is selected from copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), copper formate, copper propionate, a mixture thereof. Advantageously, the organic solvent is acetonitrile (C 2 H 3 N). In one embodiment, before step b), the vertically aligned nanotubes (VACNT) on said substrate are, prior to the electrochemical deposition, impregnated with a conductive ink, preferably comprising metallic particles, preferably of nanometric size. Advantageously, these metal particles are chosen from particles of copper, gold, silver and / or metal alloys. The impregnation with a conductive ink VACNT previously deposited on a substrate improves the subsequent electrochemical deposition of the metal matrix.
De préférence, l'encre conductrice est en solution aqueuse. L'encre conductrice peut être dispersée en solution organique, telle que dans une solution à base de cétone comme l'acétone, dans une solution à base d'alcools tels que l'éthanol ou l'isopropanol ou dans une solution comprenant un ester, un acide gras ou une huile. Preferably, the conductive ink is in aqueous solution. The conductive ink may be dispersed in organic solution, such as in a ketone-based solution such as acetone, in a solution based on alcohols such as ethanol or isopropanol or in a solution comprising an ester, a fatty acid or an oil.
Dans un mode de réalisation préféré, avant l'étape b), les nanotubes verticalement alignés (VACNT) sur ledit substrat sont imprégnés par une encre conductrice des particules métalliques présentant une taille de nanoparticules inférieure ou égale à 100 nm de diamètre. Avantageusement, les VACNT sont des nanotubes de carbone multi-feuillets. In a preferred embodiment, before step b), the vertically aligned nanotubes (VACNT) on said substrate are impregnated with a conductive ink of metal particles having a nanoparticle size less than or equal to 100 nm in diameter. Advantageously, the VACNTs are multi-layered carbon nanotubes.
Avantageusement, le substrat est choisi parmi les substrats électriquement conducteurs. Advantageously, the substrate is chosen from electrically conductive substrates.
Avantageusement, le substrat est choisi parmi le silicium, l'acier inoxydable, l'aluminium et les alliages métalliques. Dans un mode de réalisation préféré, le dépôt électrochimique de ladite matrice sur lesdits VACNT est effectué par électrodéposition galvanostatique stationnaire ou électrodéposition galvanostatique par courants puisés. Advantageously, the substrate is selected from silicon, stainless steel, aluminum and metal alloys. In a preferred embodiment, the electrochemical deposition of said matrix on said VACNT is performed by stationary galvanostatic plating or galvanostatic electrodeposition by pulsed currents.
Dans un mode de réalisation préféré, après l'étape b) un recuit du composite obtenu est réalisé. In a preferred embodiment, after step b) annealing of the obtained composite is carried out.
Avantageusement, le recuit du composite obtenu est réalisé à 400°C, sous atmosphère inerte, de préférence dans une atmosphère dans laquelle la teneur cumulée en 02 et H20 est inférieur à 5 ppm massiques. Advantageously, the annealing of the composite obtained is carried out at 400 ° C. under an inert atmosphere, preferably in an atmosphere in which the cumulative content of O 2 and H 2 O is less than 5 mass ppm.
Dans un autre mode de réalisation préféré, ledit recuit est réalisé sous l'action d'une source de lumière impulsionnelle de type laser puisé, de préférence à une puissance incidente P, comprise entre 109 et 1013 W/cm2 pendant un temps t compris entre 10"12 et 10"9 secondes. In another preferred embodiment, said annealing is carried out under the action of a pulsed laser pulsed light source, preferably at an incident power P, of between 10 9 and 10 13 W / cm 2 for a period of time. t between 10 "12 and 10 " 9 seconds.
Dans un autre mode de réalisation préféré, ledit recuit est réalisé sous l'action d'un laser à onde continue, de préférence à une puissance incidente P, comprise entre 105 et 1010 W/cm2 pendant un temps t compris entre 10"4 et 10"2 secondes. In another preferred embodiment, said annealing is carried out under the action of a continuous wave laser, preferably at an incident power P, of between 10 5 and 10 10 W / cm 2 for a time t between 10 "4 and 10 " 2 seconds.
Dans un autre mode de réalisation préféré, ledit recuit est réalisé en présence d'un gaz réducteur, de préférence dans un mélange d'hydrogène et d'azote, préférentiellement dans un mélange d'hydrogène et d'azote contenant 5% molaire d'hydrogène, et de préférence à 1 000°C pendant 10 min avec une vitesse de chauffe de 50°C/min. Avantageusement, dans ce cas, ledit recuit est réalisé dans un four à recuit thermique rapide, de préférence à une puissance incidente P, comprise entre 1 à 102 W/cm2 pendant un temps t compris entre 1 et 103 secondes. In another preferred embodiment, said annealing is carried out in the presence of a reducing gas, preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen, preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen containing 5 mol% of hydrogen, and preferably at 1000 ° C for 10 min with a heating rate of 50 ° C / min. Advantageously, in this case, said annealing is performed in a rapid thermal annealing furnace, preferably at an incident power P, comprised between 1 and 10 2 W / cm 2 for a time t comprised between 1 and 10 3 seconds.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le recuit du composite est réalisé par microonde, de préférence à une puissance incidente P, comprise entre 1 et 102 W/cm2 pendant un temps t compris entre 102 et 104 secondes. In another preferred embodiment, the annealing of the composite is carried out by microwave, preferably at an incident power P, of between 1 and 10 2 W / cm 2 for a time t between 10 2 and 4 seconds.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le recuit du composite est un recuit photonique. In another preferred embodiment, the annealing of the composite is photonic annealing.
Avantageusement, le recuit photonique est réalisé à une puissance incidente P, comprise entre 103 et 105 W/cm2 pendant un temps t compris entre 10"5 et 10"2 secondes. Avantageusement, la densité surfacique de nanotubes de carbone, par rapport à la surface du substrat sur lequel ils ont été déposés, est comprise entre 109/cm2 et 1011/cm2 et de préférence entre 3 x 109/cm2 et 5 x1010/cm2. Dans un mode de réalisation préféré, lorsque le dépôt électrochimique de ladite matrice sur lesdits VACNT est effectué par électrodéposition par courants puisés : une densité de courant constante J0 comprise entre -5 mA cm"2 et -50 mA cm"2 , préférentiellement entre -10 mA.cm"2 et -40 mA.cm"2, et encore plus avantageusement entre -15 mA.cm"2 et -35 mA.cm"2 est appliquée pendant des périodes (t0) de durée comprise entre 1 seconde et 10 secondes, préférentiellement entre 1 ,5 secondes et 5 secondes, et encore plus préférentiellement d'une valeur de 3 secondes; Advantageously, the photonic annealing is carried out at an incident power P of between 10 3 and 10 5 W / cm 2 for a time t between 10 "5 and 10 " 2 seconds. Advantageously, the surface density of carbon nanotubes, relative to the surface of the substrate on which they have been deposited, is between 10 9 / cm 2 and 10 11 / cm 2 and preferably between 3 × 10 9 / cm 2 and 5 x 10 10 / cm 2 . In a preferred embodiment, when the electrochemical deposition of said matrix on said VACNT is carried out by pulsed-current electrodeposition: a constant current density J 0 of between -5 mA cm -2 and -50 mA cm -2 , preferably between mA.cm -10 "and -40 mA.cm 2" 2, and even more preferably between -15 mA.cm "2 and -35 mA.cm" 2 is applied during periods (t 0) of duration between 1 second and 10 seconds, preferably between 1, 5 seconds and 5 seconds, and even more preferably of a value of 3 seconds;
une densité de courant d'impulsion J0 + Jpeak est appliquée pendant des périodes d'impulsion tpeak comprise entre 0,5 secondes et 5 secondes, préférentiellement entre 0,5 secondes et 3 secondes, et pendant lesquelles Jpeak est compris entre -20 mA.cm"2 et -100 mA.cm"2, préférentiellement entre -25 mA.cm"2 et -75 mA.cm"2, et encore plus avantageusement entre -35 mA.cm"2 et -60 mA.cm"2. De préférence, J0 est compris entre -20 mA.cm"2 et -30 mA.cm"2, t0 est compris entre 2,5 secondes et 3,5 secondes, tpeak est compris entre 0,7 secondes et 1 ,3 secondes, et J eak est compris entre -45 mA cm"2 et -55 mA cm"2. a pulse current density J 0 + J peak is applied during periods of pulse t peak between 0.5 seconds and 5 seconds, preferably between 0.5 seconds and 3 seconds, and during which J peak is between -20 mA.cm "2 and -100 mA.cm " 2 , preferably between -25 mA.cm "2 and -75 mA.cm " 2 , and even more advantageously between -35 mA.cm "2 and -60 mA .cm "2 . Preferably, J 0 is between -20 mA.cm "2 and -30 mA.cm " 2 , t 0 is between 2.5 seconds and 3.5 seconds, t peak is between 0.7 seconds and 1 , 3 seconds, and J eak is between -45 mA cm "2 and -55 mA cm " 2 .
De manière avantageuse, J0 est compris entre -23 mA.cm"2et -27 mA.cm"2, t0 est compris entre 2,7 secondes et 3,3 secondes, tpeak est compris entre 0,8 secondes et 1 ,2 secondes, et JPeak est compris entre -47 mA.cm"2 et -53 mA.cm"2. Advantageously, J 0 is between -23 mA.cm "2 and -27 mA.cm " 2 , t 0 is between 2.7 seconds and 3.3 seconds, t peak is between 0.8 seconds and 1, 2 seconds, and J P e ak is between -47 mA.cm -2 and -53 mA.cm -2 .
Un autre objet de l'invention est un composite comprenant des VACNT enrobés dans une matrice de cuivre métallique, susceptible d'être préparé par un procédé selon l'invention. Another subject of the invention is a composite comprising VACNTs embedded in a metallic copper matrix, capable of being prepared by a process according to the invention.
De préférence, la densité surfacique de nanotubes de carbone du composite, par rapport à la surface du substrat sur lequel ils ont été déposés, est comprise entre 109/cm2 et 1011/cm2 et de préférence entre 3 x 109/cm2 et 5 x1010/cm2. Preferably, the surface density of carbon nanotubes of the composite, relative to the surface of the substrate on which they have been deposited, is between 10 9 / cm 2 and 10 11 / cm 2 and preferably between 3 × 10 9 / cm 2 and 5 x 10 10 / cm 2 .
Avantageusement, la longueur desdits VACNT du composite est supérieure à 200 μηη, de préférence comprise entre 200 μηη et 400 μηη. Advantageously, the length of said VACNT of the composite is greater than 200 μηη, preferably between 200 μηη and 400 μηη.
Avantageusement, la fraction volumique des VACNT du composite est comprise entre 5 et 8%. De préférence, la distance moyenne entre deux nanotubes voisins du composite est comprise entre 40 nm et 100 nm. Advantageously, the volume fraction of the VACNT of the composite is between 5 and 8%. Preferably, the average distance between two adjacent nanotubes of the composite is between 40 nm and 100 nm.
Avantageusement, la conductivité thermique du composite, dans la direction du tube, est supérieure à 300 W/m.K. Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un composite selon l'invention comme matériau d'interface thermique, notamment dans des dispositifs électroniques. Advantageously, the thermal conductivity of the composite, in the direction of the tube, is greater than 300 W / mK Another object of the invention is the use of a composite according to the invention as a thermal interface material, in particular in electronic devices.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un composite selon l'invention comme matériau conducteur électrique, de préférence dans des câbles électriques. Another object of the invention is the use of a composite according to the invention as an electrically conductive material, preferably in electrical cables.
Description des figures Description of figures
La figure 1 illustre différents aspects de modes de réalisation de l'invention, sans pour autant limiter sa portée. Figure 1 illustrates various aspects of embodiments of the invention, without limiting its scope.
La nature de la solution servant de bain galvanostatique influe sur la morphologie des matériaux composites VACNT / matrice métallique. Le dépôt de cuivre apparent, observé à l'œil nu, dépend de l'imprégnation des germes. Plus précisément, lorsque qu'un bain galvanique contenant du sulfate de cuivre est utilisé, le cuivre est majoritairement déposé à la surface, donnant un aspect cuivré au matériau composite. A l'inverse, dans le cas où le cuivre se dépose en profondeur, et non en surface, le matériau composite reste sombre. The nature of the solution serving as a galvanostatic bath influences the morphology of composite VACNT / metal matrix materials. The apparent copper deposit, observed with the naked eye, depends on the impregnation of the germs. More specifically, when a galvanic bath containing copper sulphate is used, the copper is mainly deposited on the surface, giving a copper appearance to the composite material. Conversely, in the case where the copper is deposited in depth, and not on the surface, the composite material remains dark.
L'utilisation d'une solution d'acétate de cuivre à la place d'une solution de sulfate de cuivre dans le bain galvanique permet l'obtention d'un matériau composite comprenant une plus forte concentration de cristaux, répartie de façon plus homogène et pénétrant plus en profondeur au sein du tapis de VACNT. La figure 1 présente des clichés de microscopie électronique à balayage d'un tapis de VACNT seul (figure 1 a), de matériaux composites VACNT / Cu obtenus par électrodéposition galvanostatique stationnaire (figure 1 b, échantillon ECU006'), de matériaux composites VACNT / Cu obtenus par électrodéposition galvanostatique puisée (figure 1 c, échantillon ECU013). La morphologie des matériaux composites VACNT / Cu observée au MEB confirme la présence de cuivre en profondeur dans le tapis de VACNT ainsi que l'alignement des VACNT au sein du matériau composite. The use of a copper acetate solution in place of a copper sulphate solution in the electroplating bath makes it possible to obtain a composite material comprising a higher concentration of crystals, distributed more evenly and penetrating deeper into the VACNT carpet. FIG. 1 presents scanning electron microscopy images of a VACNT carpet alone (FIG. 1 a), VACNT / Cu composite materials obtained by stationary galvanostatic electroplating (FIG. 1b, sample ECU006 '), composite materials VACNT / Cu obtained by pulsed galvanostatic electrodeposition (Figure 1c, sample ECU013). The morphology of VACNT / Cu composite materials observed at SEM confirms the presence of deep copper in the VACNT carpet as well as the alignment of VACNT within the composite material.
La figure 2 présente des clichés de microscopie électronique à balayage d'un matériau composite VACNT / Cu obtenu par électrodéposition potentiostatique (figure 2). L'échantillon de 250 μηη d'épaisseur, présenté à la figure 2A a été élaboré par introduction d'un substrat précédemment recouvert d'un tapis de VACNT dans un bain contenant du cuivre (solution de CuS04 à 0,6 M et d'H2S04 à 1 ,85 M) et à appliquer une tension de -0.9 V pendant 1 minute (cf. échantillon ECU054). L'échantillon présenté à la figure 2B a été élaboré comme l'échantillon ECU054 dans un bain comprenant en plus 100 mg de PEG. Les clichés MEB montre que le cuivre est déposé en surface du tapis de VACNT de manière compacte encapsulant que la partie supérieur des nanotubes de carbone sans imprégnation en profondeur du tapis de VACNT. Figure 2 shows scanning electron micrographs of VACNT / Cu composite material obtained by potentiostatic electrodeposition (Figure 2). The sample 250 μηη thick, shown in Figure 2A was developed by introducing a substrate previously covered with a carpet of VACNT in a bath containing copper (solution of CuS0 4 0.6 M and d H 2 S0 4 to 1.85 M) and to apply a voltage of -0.9 V for 1 minute (see sample ECU054). The sample shown in Figure 2B was developed as the sample ECU054 in a bath additionally comprising 100 mg of PEG. The SEM images show that the copper is deposited on the surface of the VACNT carpet in a compact manner encapsulating the upper part of the carbon nanotubes without deep impregnation of the VACNT carpet.
La figure 3 présente des clichés de microscopie optique ainsi que des clichés de microscopie électronique à balayage des matériaux composites VACNT / Cu obtenus par électrodéposition galvanostatique stationnaire à partir d'un bain galvanique comprenant une solution de sulfate de cuivre (figure 3a et figure 3a') ou une solution d'acétate de cuivre (figure 3b et figure 3b'). FIG. 3 presents optical microscopy images as well as scanning electron microscopy images of VACNT / Cu composite materials obtained by stationary galvanostatic electroplating from a galvanic bath comprising a solution of copper sulphate (FIG. 3a and FIG. 3a). ) or a solution of copper acetate (Figure 3b and Figure 3b ').
La nature de la solution servant de bain galvanostatique influe sur la morphologie des matériaux composites VACNT / matrice métallique. Sur les figures 3a et 3b, le dépôt de cuivre apparent, observé à l'œil nu, dépend de l'imprégnation des germes. Plus précisément, lorsque qu'un bain galvanique contenant du sulfate de cuivre est utilisé (cf figure 3a), le cuivre est majoritairement déposé à la surface, donnant cet aspect cuivré au matériau composite. A l'inverse, dans le cas où le cuivre se dépose en profondeur, et non en surface, le matériau composite reste sombre (cf. figure 3b où de l'acétate de cuivre est utilisé dans le bain galvanique). The nature of the solution serving as a galvanostatic bath influences the morphology of composite VACNT / metal matrix materials. In FIGS. 3a and 3b, the apparent copper deposit, observed with the naked eye, depends on the impregnation of the seeds. More specifically, when a galvanic bath containing copper sulphate is used (cf Figure 3a), the copper is mainly deposited on the surface, giving this coppery appearance to the composite material. Conversely, in the case where the copper is deposited in depth, and not on the surface, the composite material remains dark (see Figure 3b where copper acetate is used in the electroplating bath).
Au regard des clichés de MEB, l'utilisation d'une solution d'acétate de cuivre (figure 3b') à la place d'une solution de sulfate de cuivre (figure 3a') dans le bain galvanique permet l'obtention d'un matériau composite comprenant une plus forte concentration de cristaux, répartie de façon plus homogène et pénétrant plus en profondeur au sein du tapis de VACNT. With regard to SEM images, the use of a copper acetate solution (FIG. 3b ') instead of a solution of copper sulphate (FIG. 3a') in the electroplating bath makes it possible to obtain a composite material comprising a higher concentration of crystals, distributed more homogeneously and penetrating more deeply within the VACNT carpet.
La figure 4 présente un cliché de microscopie électronique à balayage d'un matériau composite VACNT / Cu obtenus par électrodéposition galvanostatique stationnaire à partir d'un bain comprenant de l'acétate de cuivre (échantillon ECU055) pendant 10min à une densité de courant faible de - 200 mA.cm"2. Figure 4 shows a scanning electron micrograph of a VACNT / Cu composite material obtained by stationary galvanostatic electrodeposition from a bath comprising copper acetate (Sample ECU055) for 10 min at a low current density of - 200 mA.cm "2 .
La figure 5 présente un cliché de microscopie électronique à balayage d'un matériau composite VACNT / Cu obtenus par électrodéposition galvanostatique stationnaire à partir d'un bain comprenant de l'acétate de cuivre (échantillon ECU056) pendant 30min à une densité de courant faible de - 32 mA.cm"2. La figure 6 présente des clichés de microscopie électronique à balayage des matériaux composites VACNT / Cu obtenus par électrodéposition galvanostatique stationnaire. L'échantillon ECU055 est représenté en figure 6A. L'échantillon ECU056 est représenté en figure 6B. Description détaillée FIG. 5 shows a scanning electron microscopy image of a VACNT / Cu composite material obtained by stationary galvanostatic plating from a bath comprising copper acetate (Sample ECU056) for 30 min at a low current density of -.. 32 mA.cm "2 Figure 6 shows electron micrographs scanning composites VACNT / Cu obtained by electrodeposition stationary galvanostatic The ECU055 sample is shown in Figure 6A sample ECU056 is shown in Figure 6B. . detailed description
On entend par « Matériau d'interface thermique » ou TIM tout matériau utilisé pour transporter et dissiper la chaleur émise par un composant électronique au contact du TIM. The term "thermal interface material" or TIM any material used to transport and dissipate the heat emitted by an electronic component in contact with the TIM.
La « fraction volumique » des VACNT dans le composite VACNT / matrice métallique ÎCNT est définie par la formule suivante : vnl ~ r û arm / r p cm où PCNT représente la densité des nanotubes de carbone multi-feuillets en g/cm3 mesurée par pycnométrie (elle est d'environ de 2,2 g/cm3) et parray représente la densité des VACNT au sein du matériau composite VACNT / matrice métallique en g/cm3. parray est déterminée par le ratio suivant MCOMSTTE OU mcomposite, Scomposite, ecomposite The "volume fraction" of the VACNT in the composite VACNT / metal matrix Î C NT is defined by the following formula: vnl ~ r û arm / rp cm where PCNT represents the density of the multi-layer carbon nanotubes in g / cm 3 measured by pycnometry (it is about 2.2 g / cm 3 ) and p array represents the density of VACNT within the VACNT composite material / metal matrix in g / cm 3 . p array is determined by the following ratio MCOM P ° STTE OR m composite , S composite , e composite
^composite x ecomposite composite x composite
correspondent respectivement à la masse du composite, à la surface du composite et à l'épaisseur du composite mesurée au pied à coulisse PCNT- correspond respectively to the mass of the composite, to the composite surface and to the thickness of the composite measured at vernier caliper P C NT-
On entend par « dépôt électrochimique » tout dépôt effectué par une méthode électrochimique, de préférence une méthode électrochimique potentiostatique ou une méthode électrochimique galvanostatique, notamment de type stationnaire ou puisée. La méthode électrochimique galvanostatique est préférée. The term "electrochemical deposition" means any deposition carried out by an electrochemical method, preferably a potentiostatic electrochemical method or a galvanostatic electrochemical method, in particular of stationary or pulsed type. The galvanostatic electrochemical method is preferred.
La présente invention concerne de nouveaux matériaux composites à matrice métallique incorporant un « tapis de nanotubes », c'est-à-dire des nanotubes verticalement alignés (VACNT) déposés sur un substrat. Dans le cadre de la présente invention, le sigle VACNT inclut les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone mais les nanofibres de carbone sont moins préférées comme il sera expliqué ci-après. Ce substrat est substantiellement plan. Lesdits nanotubes sont des nanotubes en carbone (NTC), à paroi simple ou multiple, de préférence multiple car ces nanotubes multi-feuillets sont facilement industrialisable. La matrice métallique est, de préférence du cuivre, à cause de sa haute conductivité thermique. La matrice métallique peut aussi être de l'argent, de l'aluminium, du tungstène ou de l'or. Selon l'invention, lesdits matériaux composites VACNT / matrice métallique peuvent être obtenus par un procédé dans lequel on approvisionne un tapis de nanotubes verticalement alignés (VACNT) déposés sur un substrat, et on dépose ladite matrice métallique sur lesdits nanotubes verticalement alignés par une technique électrochimique à partir d'une solution comprenant le(s) précurseur(s) de ladite matrice métallique qui est en contact avec lesdits VACNT. Cette technique électrochimique est de préférence l'électrodéposition galvanostatique, et de préférence une technique galvanostatique puisée. Synthèse de nanotubes verticalement alignés (VACNT) sur un substrat The present invention relates to novel metal matrix composite materials incorporating a "nanotube mat", that is, vertically aligned nanotubes (VACNTs) deposited on a substrate. In the context of the present invention, the acronym VACNT includes carbon nanotubes, carbon nanofibers but carbon nanofibers are less preferred as will be explained below. This substrate is substantially flat. Said nanotubes are carbon nanotubes (CNTs), with a single or multiple wall, preferably multiple because these multi-layer nanotubes are easily industrializable. The metal matrix is preferably copper because of its high thermal conductivity. The metal matrix may also be silver, aluminum, tungsten or gold. According to the invention, said VACNT / metal matrix composite materials can be obtained by a method in which a mat of vertically aligned nanotubes (VACNT) deposited on a substrate is supplied, and said metal matrix is deposited on said nanotubes vertically aligned by a technique. electrochemical solution from a solution comprising the precursor (s) of said metal matrix which is in contact with said VACNT. This electrochemical technique is preferably galvanostatic electroplating, and preferably a pulsed galvanostatic technique. Synthesis of vertically aligned nanotubes (VACNT) on a substrate
Des nanotubes de carbone peuvent être synthétisés selon différents procédés connus en tant que tels, notamment par ablation par arc électrique, par ablation laser, ou encore par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Selon l'invention, les nanotubes de carbone verticalement alignés (VACNT) sont déposés par dépôt chimique à partir d'une phase vapeur (CVD). Le procédé CVD est une méthode rapide, peu coûteuse et industrialisable, permettant de produire des matériaux solides de haute performance, et de grande pureté. Carbon nanotubes can be synthesized according to various methods known per se, in particular by electric arc ablation, laser ablation, or chemical vapor deposition (CVD). According to the invention, the vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) are deposited by chemical deposition from a vapor phase (CVD). CVD is a fast, inexpensive and industrially available method for producing high-performance, high-purity solid materials.
Deux variantes de CVD catalytique (CCVD) peuvent convenir pour le dépôt de VACNT. Un premier procédé se déroulant en plusieurs étapes est connu en tant que tel (cf. Kukovitsky et al., « Corrélation between métal catalyst particle size and carbon nanotube growth", Chemical Physics Letters vol.355, (2002) p.497-503) et requiert le plus souvent l'emploi de promoteur de réaction (cf. Yasuda et al., « Improved and large area single-walled carbon nanotube forest growth by controlling the gas flow direction », ACS Nano vol.3, (2009) p.4164-4170). Ce premier procédé se prête moins à une production de masse que le procédé en une seule étape, i.e. procédé CCVD assisté par aérosol. Dans ce dernier, les précurseurs de catalyseur et de carbone sont introduits simultanément dans le réacteur (voir Mayne et al, Chem Phys Lett vol.338 (2001 ) p.101 ; voir également Andrews et al., « Continuous production of aligned carbon nanotubes: a step doser to commercial realization », Chem Phys Lett vol.303 (1999) p.467-474), les nanoparticules de catalyseur sont formées dans la phase gazeuse et sont ensuite déposées sur le substrat (voir Castro et al., « The rôle of hydrogen in the aerosol-assisted chemical vapor déposition process in producing thin and densely packed vertically aligned carbon nanotubes », Carbon vol.61 (2013) p.585-594) où elles constituent des germes pour la nucléation et la croissance continue de nanotubes de carbone à pression atmosphérique et sans ajout de promoteur. L'élaboration de VACNT déposés sur un substrat par le procédé CCVD assisté par aérosol peut aussi être effectuée en présence de promoteur. Ce procédé est robuste et assez simple à mettre en œuvre. Ce procédé de CCVD assisté par aérosol est décrit dans les documents FR 2 841 233, FR 2 927 619, FR 3 013 061 . Le montage expérimental est basé sur l'utilisation de générateurs d'aérosol qui assurent l'alimentation continue du réacteur en précurseurs de catalyseur et de carbone (par exemple, du ferrocène dissous dans le toluène) sans préparation particulière du substrat. Cette méthode permet d'obtenir typiquement des tapis de NTC multi-feuillets et alignés directement sur les parois du réacteur ou sur des substrats de nature différente (silicium, quartz, carbone, métaux) placés dans le réacteur. Les nanotubes obtenus sont typiquement exempts de sous-produits carbonés, hautement cristallins, avec des diamètres moyens ajustables entre 20 nm et 50 nm et une densité allant jusqu'à 1010 CNT/cm2. Le réacteur peut être utilisé à la pression atmosphérique, et la température de synthèse est typiquement de l'ordre de 600 °C à 1090°C. Two variants of catalytic CVD (CCVD) may be suitable for VACNT deposition. A first multi-step process is known as such (see Kukovitsky et al., "Correlation between metal catalyst particle size and carbon nanotube growth", Chemical Physics Letters vol.355, (2002) p.497-503 ) and most often requires the use of a reaction promoter (see Yasuda et al., "Improved and large area single-walled carbon nanotube forest growth by controlling the flow direction", ACS Nano vol.3, (2009) This first process lends itself less to mass production than the one-step aerosol-assisted CCVD process, in which the catalyst and carbon precursors are simultaneously introduced into the reactor. (see Mayne et al., Chem Phys Lett vol.338 (2001) p.101, see also Andrews et al., "Continuous production of aligned carbon nanotubes: a step doser to commercial realization," Chem Phys Lett Vol.303 (1999). p.467-474), the catalyst nanoparticles are form in the gaseous phase and are then deposited on the substrate (see Castro et al., "The role of hydrogen in the aerosol-assisted chemical vapor deposition process in producing thin and densely packed vertically aligned carbon nanotubes", Carbon vol.61 ( 2013) p.585-594) where they constitute seeds for the nucleation and the continuous growth of carbon nanotubes at atmospheric pressure and without the addition of a promoter. The development of VACNTs deposited on a substrate by the aerosol-assisted CCVD process can also be carried out in the presence of a promoter. This process is robust and quite simple to implement. This aerosol assisted CCVD process is described in documents FR 2 841 233, FR 2 927 619 and FR 3 013 061. The experimental setup is based on the use of aerosol generators which ensure the continuous supply of catalyst precursors and carbon precursors (for example, ferrocene dissolved in toluene) without any special preparation of the substrate. This method makes it possible to typically obtain multi-layer NTC mats aligned directly on the walls of the reactor or on substrates of a different nature (silicon, quartz, carbon, metals) placed in the reactor. The resulting nanotubes are typically free of highly crystalline carbon byproducts, with average diameters adjustable between 20 nm and 50 nm and a density of up to 10 10. CNT / cm 2. The reactor can be used at atmospheric pressure, and the synthesis temperature is typically in the range of 600 ° C to 1090 ° C.
Dans un mode de réalisation avantageux, l'élaboration d'un tapis de NTC multi-feuillet verticalement alignés sur un substrat comprend une étape de synthèse par CVD suivie d'une étape de traitement thermique. In an advantageous embodiment, the development of a multi-layer NTC mat vertically aligned on a substrate comprises a CVD synthesis step followed by a heat treatment step.
Dans le cadre du procédé selon l'invention, le substrat peut être du quartz, du silicium, de l'acier inoxydable, de l'aluminium, et de préférence un substrat conducteur électrique. In the context of the process according to the invention, the substrate may be quartz, silicon, stainless steel, aluminum, and preferably an electrically conductive substrate.
La température de croissance des VACNT est choisie de façon à être supérieure ou égale à la température de décomposition catalytique du précurseur de carbone et à la température de décomposition thermique du précurseur du catalyseur. Dans le cas de l'utilisation de ferrocène comme précurseur du catalyseur et de toluène comme précurseur du carbone, une température de 650°C minimum est nécessaire et une température de 850°C permet d'accroître la cinétique de réaction. The growth temperature of the VACNTs is chosen to be greater than or equal to the catalytic decomposition temperature of the carbon precursor and the thermal decomposition temperature of the catalyst precursor. In the case of the use of ferrocene as precursor of the catalyst and toluene as carbon precursor, a minimum temperature of 650 ° C. is necessary and a temperature of 850 ° C. makes it possible to increase the kinetics of reaction.
La température de la croissance des VACNT doit aussi être adaptée au substrat. En effet, la température de croissance des VACNT ne doit pas dépasser la température de fusion du substrat afin de ne pas altérer ce dernier. The temperature of VACNT growth must also be adapted to the substrate. Indeed, the growth temperature of the VACNT must not exceed the melting temperature of the substrate so as not to alter the latter.
Dans un mode de réalisation avantageux, on utilise un substrat qui supporte une température comprise entre 450°C et 1090°C (par exemple : silicium, quartz, alumine, verre, cuivre, acier, aluminium). On place ce substrat dans un réacteur (ou four) de CVD permettant de chauffer et d'injecter des gaz et des aérosols. On chasse l'air présent dans le réacteur en y injectant un gaz neutre (par exemple de l'Argon, de l'Azote ou de l'Hélium) et/ou en pompant. On augmente la température du four jusqu'à la température de synthèse, typiquement entre 600°C et 900°C sous flux de gaz neutre. On injecte alors un mélange réactionnel de gaz et vapeurs. Une composition volumique typique de ce mélange réactionnel consiste en environ 37% d'argon, environ 28% d'hydrogène, environ 28% d'acétylène et environ 8% de vapeurs de toluène préchauffées à environ 250°C dans lesquelles sont dissout environ 10% en masse de ferrocène. Par exemple, pour un réacteur dont la section utile est de 10cm2, à une température de 615°C, le mélange peut- être obtenu en injectant à pression voisine de la pression atmosphérique 0,2 slm d'argon, 0,15 slm d'hydrogène, 0,15 slm d'acétylène et 4,8 g/h d'un mélange toluène-ferrocène de concentration massique en ferrocène égale à 10%. Une autre composition volumique typique de ce mélange réactionnel consiste en environ 1/3 d'hydrogène, environ 1/3 d'argon et environ 1/3 de vapeurs de toluène préchauffées à environ 200°C dans lesquelles sont dissout environ 2,5% en masse de ferrocène. Par exemple, pour un réacteur dont la section utile est de 10cm2, à une température de 850°C, le mélange peut- être obtenu en injectant à une pression voisine de la pression atmosphérique 1 slm d'argon, 1 slm d'hydrogène et 100 g/h d'un mélange toluène-ferrocène de concentration massique en ferrocène égal à 2,5%. Dans ces conditions, une durée d'exposition comprise entre 25 min et 75 min permet d'obtenir des tapis de VACNT d'épaisseur comprise entre 600 μηη et 800 μηη. La synthèse des VACNT peut être réalisée sur une sous-couche d'oxyde telle que l'alumine Al203 ou SI02. L'emploi d'une sous couche d'oxyde peut permettre de limiter la diffusion du catalyseur dans le substrat, de promouvoir sa réactivité, de prolonger sa durée d'efficacité et de favoriser la synthèse de VACNT de faible diamètre. Ainsi, dans ces conditions on peut faire croître des nanotubes de carbone verticalement alignés, dont la hauteur peut varier du micromètre au millimètre, en fonction de la température et de la durée. In an advantageous embodiment, a substrate is used which supports a temperature of between 450 ° C. and 1090 ° C. (for example: silicon, quartz, alumina, glass, copper, steel, aluminum). This substrate is placed in a CVD reactor (or furnace) for heating and injecting gases and aerosols. The air present in the reactor is expelled by injecting a neutral gas (for example Argon, Nitrogen or Helium) and / or by pumping. The temperature of the oven is raised to the synthesis temperature, typically between 600 ° C. and 900 ° C. under a stream of neutral gas. A reaction mixture of gases and vapors is then injected. A typical volume composition of this reaction mixture consists of about 37% argon, about 28% hydrogen, about 28% acetylene and about 8% toluene vapors preheated to about 250 ° C in which about 10% is dissolved. % by weight of ferrocene. For example, for a reactor whose working section is 10 cm 2 , at a temperature of 615 ° C., the mixture can be obtained by injecting at a pressure close to atmospheric pressure 0.2 slm of argon, 0.15 slm. of hydrogen, 0.15 slm acetylene and 4.8 g / h of a toluene-ferrocene mixture with a ferrocene mass concentration of 10%. Another typical volume composition of this reaction mixture consists of about 1/3 of hydrogen, about 1/3 of argon and about 1/3 of toluene vapors preheated to about 200 ° C. in which about 2.5% is dissolved. mass of ferrocene. For example, for a reactor with a working section of 10 cm 2 , at a temperature of 850 ° C, can the mixture be be obtained by injecting at a pressure close to atmospheric pressure 1 slm of argon, 1 slm of hydrogen and 100 g / h of a toluene-ferrocene mixture with a ferrocene concentration equal to 2.5%. Under these conditions, an exposure time of between 25 min and 75 min makes it possible to obtain VACNT mats with a thickness of between 600 μηη and 800 μηη. The synthesis of VACNTs can be carried out on an oxide sub-layer such as Al 2 O 3 or SiO 2 alumina . The use of an under-layer of oxide can make it possible to limit the diffusion of the catalyst into the substrate. , to promote its reactivity, to prolong its duration of effectiveness and to favor the synthesis of VACNT of small diameter. Thus, under these conditions it is possible to grow vertically aligned carbon nanotubes, the height of which can vary from micrometer to millimeter, as a function of temperature and duration.
Après synthèse, on procède avantageusement au traitement thermique des VACNT. Selon un mode de réalisation avantageux, le traitement thermique des VACNT est réalisé à une température comprise entre 1 900 °C et 2 100 °C, et avantageusement à environ 2000 °C pendant un temps t, sous atmosphère inerte d'argon. Ce traitement thermique conduit à la sublimation du fer (catalyseur) et plus généralement à la purification des nanotubes, et il favorise la réorganisation structurale des nanotubes ; ainsi on observe un accroissement de l'ordre atomique (cristallinité) qui se traduit par l'augmentation de la conductivité thermique. La conductivité thermique globale des tapis de VACNT est environ de 3,9 W/m.K. Après traitement thermique, la conductivité thermique des tapis de VACNT est environ de 1 1 W/m.K. After synthesis, the thermal treatment of VACNT is advantageously carried out. According to an advantageous embodiment, the heat treatment of VACNT is carried out at a temperature of between 1900 ° C and 2100 ° C, and advantageously at about 2000 ° C for a time t, under an inert atmosphere of argon. This heat treatment leads to the sublimation of iron (catalyst) and more generally to the purification of nanotubes, and it promotes the structural reorganization of nanotubes; thus, an increase in the atomic order (crystallinity) is observed, which results in the increase of the thermal conductivity. The overall thermal conductivity of VACNT carpets is approximately 3.9 W / m.K. After heat treatment, the thermal conductivity of the VACNT mats is about 1 1 W / m.K.
Avantageusement, le traitement thermique des VACNT est effectuée pendant un temps t compris entre 1 heure et 3 heures, de préférence pendant environ 2 heures avec une vitesse de montée en température de l'ordre de 10°C/min et une vitesse de descente en température de l'ordre de 30°C/min. Les vitesses de montée et de descente en température n'ont pas d'impact sur la structure du tapis de VACNT, elles sont choisies pour optimiser le fonctionnement du dispositif de traitement thermique. Advantageously, the heat treatment of the VACNT is carried out for a time t of between 1 hour and 3 hours, preferably for approximately 2 hours with a temperature rise rate of the order of 10 ° C./min and a rate of descent of temperature of the order of 30 ° C / min. The rise and fall rates in temperature have no impact on the structure of the VACNT carpet, they are chosen to optimize the operation of the heat treatment device.
La hauteur des tapis de VACNT élaborés est avantageusement comprise entre 200 μηη et 1 ,5 mm. En dessous de 200 μηη, le tapis de VACNT n'est pas stable mécaniquement et le tapis est friable. La longueur des nanotubes obtenus est très homogène. A titre d'exemple, pour une longueur d'environ 1 000 μηη, l'écart-type est d'environ ± 50 μηη, de préférence d'environ ± 25 μηη, et peut atteindre même ± 20 μηη. L'écart-type est une mesure servant à caractériser la dispersion d'une distribution ou d'un échantillon. Un faible écart-type correspond à une faible dispersion. Pour chaque substrat, le procédé de synthèse des VACNT peut être optimisé en modulant les proportions de précurseurs, de catalyseurs tels que le ferrocène ou le flux de gaz inerte de manière à conférer au tapis de VACNT une géométrie particulière où les nanotubes de carbone sont distribués latéralement avec un espacement entre les nanotubes de carbone compris entre 40 et 100 nm. Les VACNT obtenus sont des nanotubes multi-feuillets et leur diamètre est compris entre 10 nm et 80 nm. Avantageusement, la densité de nanotubes de carbone dans le composite VACNT / matrice métallique est inférieure à 5x1011/cm2, de préférence est comprise entre 109/cm2 et 1011/cm2 et encore plus préférentiellement d'environ 1010/cm2 selon le type de substrat utilisé. Dans cette gamme de densité, le tapis de VACNT est suffisamment dense pour conférer au composite une bonne tenue mécanique tout en comprenant des interstices suffisamment larges pour permettre au précurseur de la matrice métallique de pénétrer en profondeur dans ceux-ci. The height of the VACNT mats produced is advantageously between 200 μηη and 1.5 mm. Below 200 μηη, the VACNT mat is not mechanically stable and the mat is friable. The length of the nanotubes obtained is very homogeneous. For example, for a length of about 1000 μηη, the standard deviation is about ± 50 μηη, preferably about ± 25 μηη, and can even be as much as ± 20 μηη. Standard deviation is a measure used to characterize the dispersion of a distribution or sample. A small standard deviation corresponds to a small dispersion. For each substrate, the VACNT synthesis process can be optimized by modulating the proportions of precursors, catalysts such as ferrocene or the flow of inert gas so as to give the VACNT carpet a particular geometry where the carbon nanotubes are distributed. laterally with a spacing between the carbon nanotubes of between 40 and 100 nm. The VACNT obtained are multi-layer nanotubes and their diameter is between 10 nm and 80 nm. Advantageously, the density of carbon nanotubes in the composite VACNT / metal matrix is less than 5 × 10 11 / cm 2 , preferably is between 10 9 / cm 2 and 10 11 / cm 2 and even more preferably about 10 10 / cm 2. cm 2 depending on the type of substrate used. In this density range, the VACNT carpet is dense enough to give the composite a good mechanical strength while including sufficiently large interstices to allow the precursor of the metal matrix to penetrate deep into them.
La fraction volumique des CNT est comprise entre 5 et 8%. L'un des problèmes auquel les inventeurs se sont heurtés est la pénétration homogène du métal entre les nanotubes. La profondeur de pénétration dépend à la fois de l'espacement moyen entre nanotubes, qui ne doit pas être trop faible, et de la longueur des nanotubes. Par ailleurs, pour augmenter la conductivité thermique dans le sens de l'épaisseur du tapis il est préférable d'avoir un grand nombre de nanotubes de faible diamètre plutôt qu'un faible nombre de nanotubes de fort diamètre. La géométrie des VACNT présente un inter-espacement entre tubes de l'ordre 40 nm et 100 nm et un rapport longueur de tube / espacement entre tubes compris entre 1000 :1 et 2500 :1 . Selon l'état de la technique ces caractéristiques géométriques rendent généralement difficile le dépôt de cuivre dans les interstices du tapis. Le dépôt électrochimique d'une matrice de cuivre métallique sur les nanotubes verticalement alignés peut être effectué par électrodéposition galvanostatique, en mode stationnaire ou puisé. The volume fraction of the CNT is between 5 and 8%. One of the problems that the inventors have encountered is the homogeneous penetration of the metal between the nanotubes. The depth of penetration depends both on the average spacing between nanotubes, which should not be too low, and the length of the nanotubes. Moreover, to increase the thermal conductivity in the direction of the carpet thickness it is preferable to have a large number of small diameter nanotubes rather than a small number of large diameter nanotubes. The VACNT geometry has an inter-spacing between tubes of the order of 40 nm and 100 nm and a tube length / tube spacing ratio of between 1000: 1 and 2500: 1. According to the state of the art these geometric characteristics generally make difficult the deposition of copper in the interstices of the carpet. The electrochemical deposition of a metallic copper matrix on the vertically aligned nanotubes can be performed by galvanostatic electrodeposition, in stationary or pulsed mode.
Dépôt électrochimique d'une matrice de cuiyre métallique sur les nanotubes verticalement alignés par électrodéposition galvanostatique stationnaire Electrochemical deposition of a metallic cuiyre matrix on nanotubes vertically aligned by stationary galvanostatic electroplating
Selon une caractéristique technique essentielle de l'invention on dépose la matrice métallique par voie électrochimique (électrodéposition) en mode galvanostatique. Cela permet une bonne pénétration du métal entre les nanotubes. La voie par électrodéposition présente l'avantage de remplir facilement les interstices entre les différents nanotubes de carbone. On contrôle ainsi le taux de remplissage de matrice dans le tapis de VACNT et on ajuste ainsi la fraction volumique de la matrice que l'on dépose. According to an essential technical characteristic of the invention, the metal matrix is deposited electrochemically (electrodeposition) in galvanostatic mode. This allows good penetration of the metal between the nanotubes. The electrodeposition method has the advantage of easily filling the interstices between the different nanotubes of carbon. This controls the matrix filling rate in the VACNT carpet and thus adjusts the volume fraction of the matrix that is deposited.
On plonge le substrat précédemment recouvert d'un tapis de VACNT dans un bain contenant les éléments à déposer et à appliquer un courant direct J entre une électrode auxiliaire et une électrode de travail constitué dudit substrat précédemment recouvert de VACNT. Cette méthode permet d'imposer un flux de particules constant au tapis de VACNT, tout en décalant le seuil de potentiel, et in fine de déposer plus en profondeur le métal dans le tapis de VACNT au regard d'autres techniques de dépôt dont la méthode potentiostatique. Le courant J peut être constant pendant toute la durée de l'électrodéposition, ou il peut être puisé. La densité de courant J appliquée lors de l'électrodéposition galvanostatique est avantageusement comprise entre -100 mA.cm"2 et -10 mA.cm"2, préférentiellement entre -75 mA.cm"2 et -15 mA cm"2, et encore plus préférentiellement entre -50 mA.cm"2 et - 15 mA.cm"2. A titre d'exemple, l'électrodéposition galvanostatique de cuivre peut être réalisée avec une densité de courant stationnaire d'environ -25 mA cm"2 ; cela donne de bons résultats. Pour le dépôt de cuivre, le bain galvanostatique comprend avantageusement au moins un précurseur métallique de ladite matrice métallique tel qu'un sel de cuivre et au moins un solvant organique. Le sel de cuivre peut être du sulfate de cuivre et/ou de de l'acétate de cuivre (Cu(CH3COO)2) et de l'acétonitrile (C2H3N). Les inventeurs ont constaté avec des mesures par goniomètre de mouillabilité que l'acétonitrile favorise l'imprégnation du cuivre dans le tapis de VACNT. The substrate previously covered with a VACNT mat is immersed in a bath containing the elements to be deposited and a direct current J is applied between an auxiliary electrode and a working electrode consisting of said substrate previously covered with VACNT. This method makes it possible to impose a constant particle flux to the VACNT mat, while shifting the potential threshold, and ultimately to deposit the metal in the VACNT mat further in depth with respect to other deposition techniques including the method potentiostat. The current J can be constant throughout the duration of the electroplating, or it can be pulsed. The current density J applied during galvanostatic electroplating is advantageously between -100 mA.cm -2 and -10 mA.cm -2 , preferably between -75 mA.cm -2 and -15 mA cm -2 , and even more preferably between -50 mA.cm -2 and -15 mA.cm -2 . By way of example, the galvanostatic copper plating can be carried out with a stationary current density of approximately -25 mA cm -2 , which gives good results.For the copper plating, the galvanostatic bath advantageously comprises at least a metal precursor of said metal matrix such as a copper salt and at least one organic solvent The copper salt may be copper sulphate and / or copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ) and acetonitrile (C 2 H 3 N) The inventors have found with measurements by goniometer of wettability that acetonitrile promotes the impregnation of copper in the VACNT carpet.
La concentration de la solution contenant des ions Cu2+ est avantageusement comprise entre 0,3 mol/L et 0,6 mol/L, et avantageusement d'environ 0,3 mol/L. Pour des concentrations en Cu2+ supérieures à 0,6 mol/L, la solution contenant les ions Cu2+ précipite. Au regard du sulfate de cuivre, l'utilisation d'une solution acétate de cuivre à concentration molaire identique permet d'obtenir une plus forte concentration de cristaux de cuivre, répartie de manière plus homogène sur le substrat recouvert de VACNT. The concentration of the solution containing Cu 2+ ions is advantageously between 0.3 mol / L and 0.6 mol / L, and advantageously about 0.3 mol / L. For Cu 2+ concentrations above 0.6 mol / L, the solution containing Cu 2+ ions precipitates. With regard to copper sulphate, the use of a copper acetate solution with the same molar concentration makes it possible to obtain a higher concentration of copper crystals, distributed more evenly over the VACNT-coated substrate.
La nature de la solution servant de bain galvanostatique influe sur la morphologie des matériaux composites VACNT / matrice métallique. En effet, l'utilisation d'une solution d'acétate de cuivre (figure 3b') à la place d'une solution de sulfate de cuivre (figure 3a') dans le bain galvanique permet l'obtention d'un matériau composite comprenant une plus forte concentration de cristaux, répartie de façon plus homogène et pénétrant plus en profondeur au sein du tapis de VACNT comme le montre les clichés de MEB (cf. figure 3). The nature of the solution serving as a galvanostatic bath influences the morphology of composite VACNT / metal matrix materials. Indeed, the use of a copper acetate solution (FIG. 3b ') instead of a solution of copper sulphate (FIG. 3a') in the electroplating bath makes it possible to obtain a composite material comprising a higher concentration of crystals, distributed more homogeneously and penetrating deeper into the VACNT carpet as shown by the SEM images (see Figure 3).
Ceci peut être expliqué par la qualité du mouillage de la solution comprenant le(s) précurseur(s) sur le tapis de VACNT. La mouillabilité des tapis de VACNT par des solutions d'acétate de cuivre et de sulfate de cuivre a été caractérisée par des mesures d'angles de contact par goniométrie. Plus l'angle de contact est petit, plus le liquide mouille le tapis de VACNT L'angle de contact pour le sulfate de cuivre est de 130°; celui de l'acétate de cuivre est de 100° indiquant une meilleure mouillabilité du tapis de VACNT par la solution d'acétate de cuivre. La durée totale de l'électrodéposition est fonction de l'épaisseur du dépôt désirée et de la densité de courant appliquée lors de l'électrodéposition. Ainsi, pour une épaisseur de l'ordre de 250 μηη à une densité de courant d'environ -50 mA.cm"2, la durée totale de l'électrodéposition est d'environ 1 heure. This can be explained by the wetting quality of the solution comprising the precursor (s) on the VACNT carpet. The wettability of VACNT carpets by Copper acetate and copper sulfate solutions were characterized by goniometric contact angle measurements. The smaller the contact angle, the more the liquid wets the VACNT carpet. The contact angle for copper sulphate is 130 °; that of the copper acetate is 100 ° indicating better wettability of the VACNT carpet by the copper acetate solution. The total time of electroplating is a function of the thickness of the desired deposit and the current density applied during electroplating. Thus, for a thickness of the order of 250 μηη at a current density of approximately -50 mA.cm -2 , the total duration of electrodeposition is approximately 1 hour.
Dépôt électrochimique d'une matrice métallique sur lesdits nano-tubes verticalement alignés par une technique galvanostatique puisée (électrodéposition par courants puisés) Electrochemical deposition of a metal matrix on said nano-tubes vertically aligned by a pulsed galvanostatic technique (electrodeposition by pulsed currents)
De manière préférée, on réalise l'électrodéposition en mode galvanostatique puisé. La technique d'électrodéposition par courants puisés consiste à plonger le substrat précédemment recouvert de VACNT dans un bain contenant des ions d'un métal devant être déposé, et à appliquer un courant électrique puisé entre une contre-électrode et une électrode de travail constitué dudit substrat précédemment recouvert de VACNT ; ce qui entraine une variation du potentiel en fonction du temps. Le mode puisé est caractérisé par l'alternance entre un courant constant d'une première densité de courant J0, appliqué pendant une durée t0, et un courant constant d'une seconde densité Jpeak, appliqué pendant une durée tpeak- In a preferred manner, electroplating is carried out in pulsed galvanostatic mode. The pulsed current electrodeposition technique consists of immersing the substrate previously covered with VACNT in a bath containing ions of a metal to be deposited, and applying an electric current pulsed between a counter-electrode and a working electrode constituted by said substrate previously covered with VACNT; which leads to a variation of the potential as a function of time. The pulsed mode is characterized by the alternation between a constant current of a first current density J 0 , applied for a time t 0 , and a constant current of a second density J peak , applied for a duration t pea k-
Plus précisément, dans cette méthode, le courant alterne rapidement entre deux valeurs différentes, la densité de courant de départ, J0 et la densité de courant de l'impulsion correspondant à Jpeak + Jo- A chaque impulsion, la densité de courant Jpeak est appliquée pendant une durée tpeak- Entre chaque impulsion, une densité de courant J0 est appliquée pendant une durée t0. Pour une densité de courant J donnée, la durée optimale de l'impulsion dépend de la nature et de l'importance des phénomènes induits par le passage du courant tels que l'appauvrissement de la couche de diffusion en espèces électroactives ou encore des modifications structurales du dépôt. More precisely, in this method, the current alternates rapidly between two different values, the initial current density, J 0 and the current density of the pulse corresponding to J peak + Jo- At each pulse, the current density J peak is applied for a time t peak - Between each pulse, a current density J 0 is applied for a duration t 0 . For a given current density J, the optimal duration of the pulse depends on the nature and importance of the phenomena induced by the passage of the current, such as the depletion of the electroactive species diffusion layer or structural modifications. of the deposit.
Les paramètres d'électrodéposition ont été choisis afin de faire germer des cristaux de petites tailles en grandes quantités au sein du tapis de VACNT, puis de faire croître ces germes de manière à encapsuler chaque nanotube de carbone par la matrice métallique. The electroplating parameters were chosen in order to germinate small crystals in large quantities within the VACNT carpet, then to grow these seeds so as to encapsulate each carbon nanotube by the metal matrix.
Ainsi, la densité de courant de départ, J0, est avantageusement comprise entre -5 mA.cm2 et -50 mA.cm"2, préférentiellement entre -10 mA.cm"2 et -40 mA.cm"2, et encore plus avantageusement entre -15 mA.cm"2 et -35 mA.cm"2 ; une valeur d'environ -25 mA.cm"2 convient particulièrement bien avec le cuivre. La densité de courant de l'impulsion, Jpeak, est comprise entre -20 mA.cm"2 et -100 mA.cm"2, de préférence entre -25 mA.cm"2 et - 75 m A.cm"2, et encore plus préférentiellement entre -35 mA.cm"2 et -60 mA.cm"2. Thus, the starting current density, J 0 , is advantageously between -5 mA.cm 2 and -50 mA.cm -2 , preferably between -10 mA.cm -2 and -40 mA.cm -2 , and still more advantageously between -15 mA.cm -2 and -35 mA.cm -2 , a value of about -25 mA.cm -2 is particularly suitable with copper. The current density of the pulse, J peak , is between -20 mA.cm "2 and -100 mA.cm " 2 , preferably between -25 mA.cm "2 and -75 m A.cm " 2 , and even more preferably between -35 mA.cm -2 and -60 mA.cm -2 .
La période entre deux impulsions t0 est comprise entre 1 sec et 10 sec, préférentiellement entre 1 ,5 sec et 5 sec, et encore plus préférentiellement entre 2 sec et 4 sec ; une valeur de 3 sec convient particulièrement bien. The period between two pulses t 0 is between 1 sec and 10 sec, preferably between 1, 5 sec and 5 sec, and even more preferably between 2 sec and 4 sec; a value of 3 seconds is particularly suitable.
La période de l'impulsion, tpeak, est avantageusement comprise entre 0,5 sec et 5 sec, préférentiellement entre 0,3 sec et 3 sec, et avantageusement à environ 1 seconde. The period of the pulse, t peak , is advantageously between 0.5 sec and 5 sec, preferably between 0.3 sec and 3 sec, and preferably about 1 second.
A titre d'exemple, l'électrodéposition du cuivre peut être réalisée en mode galvanostatique puisé avec J0 = -25 mA cm"2 et t0 = 3 s ; Jpeak = -50 mA cm"2 et tpeak = 1 s. By way of example, the electroplating of the copper can be carried out in pulsed galvanostatic mode with J 0 = -25 mA cm -2 and t 0 = 3 s, J pea k = -50 mA cm- 2 and t peak = 1 s.
Ainsi la couche déposée par cette méthode, que ce soit sa structure, son aspect, son épaisseur peut être modulée par les paramètres tels que la densité de courant de départ, J0, la densité de courant de l'impulsion, Jpeak, la période de l'impulsion, tpeak, la période entre deux impulsions t0 et la durée totale de l'électrodéposition ttot. La modulation de ces paramètres permet d'influer notamment sur la germination, la taille, la quantité des cristaux déposés et in fine sur la composition et l'épaisseur de la couche déposée. Thus the layer deposited by this method, whether its structure, its appearance, its thickness can be modulated by parameters such as the starting current density, J 0 , the current density of the pulse, J peak , the pulse period, t peak , the period between two pulses t 0 and the total duration of electroplating t to t. The modulation of these parameters makes it possible to influence in particular the germination, the size, the quantity of the deposited crystals and in fine on the composition and the thickness of the deposited layer.
Selon les observations des inventeurs, pour obtenir une couche déposée de manière homogène, composée de nombreux cristaux de petites tailles par cette méthode, il est préférable d'avoir des impulsions de courtes durées, séparées entre elles par une phase de relaxation du système, d'une durée suffisamment longue toff, afin que la couche de diffusion puisse être rechargée en espèces électroactives en excès. According to the observations of the inventors, to obtain a homogeneously deposited layer composed of numerous small crystals by this method, it is preferable to have pulses of short duration, separated from each other by a relaxation phase of the system. a sufficiently long duration t off , so that the diffusion layer can be recharged in excess electroactive species.
Par cette méthode d'électrodéposition, la germination de cristaux en grandes quantités et de petites tailles ainsi que la croissance des cristaux permettant l'encapsulation de chaque nanotube de carbone ont pu être observées. A titre d'exemple, on observe que le dépôt de cuivre correspond à une morphologie de billes d'un diamètre allant d'environ 1 pm à 5 m voire même 10 μηη en mode galvanostatique puisé. Sans vouloir être liés par cette théorie, les inventeurs pensent que dans ce mode de réalisation les ions de métal entrent au fond du tapis, dans l'interstice entre deux nanotubes, pour y créer un germe, qui va croître latéralement jusqu'à remplir complètement l'espace disponible, ce qui termine la croissance de la bille. Le mode galvanostatique stationnaire donne une morphologie moins fine, avec des billes d'environ 10 à 20 μηη de diamètre, et la matrice métallique ainsi déposée tend à être moins dense au centre de l'épaisseur qu'au fond du tapis et proche de sa surface. Pour ces raisons le mode de réalisation en courants puisés de l'électrodéposition galvanostatique est préféré. By this method of electroplating, the nucleation of crystals in large quantities and small sizes as well as the growth of crystals allowing the encapsulation of each carbon nanotube could be observed. By way of example, it can be observed that the copper deposition corresponds to a morphology of beads with a diameter ranging from about 1 μm to 5 μm or even 10 μm in pulsed galvanostatic mode. Without wishing to be bound by this theory, the inventors believe that in this embodiment the metal ions enter the bottom of the carpet, in the interstice between two nanotubes, to create a seed, which will grow laterally until completely filled. space available, which ends the ball's growth. The stationary galvanostatic mode gives a less fine morphology, with balls of about 10 to 20 μηη in diameter, and the metal matrix thus deposited tends to be less dense in the center of the thickness than at the bottom of the carpet and close to its thickness. area. For these reasons, the pulsed-current embodiment of the galvanostatic plating is preferred.
L'imprégnation de la totalité de l'épaisseur du tapis de VACNT dépend de la composition du bain galvanique, de la nature du précurseur de la matrice métallique et de la densité des CNT dans le tapis. Lors de l'électrodéposition galvanostatique, le bain galvanique employé doit contenir en solution au moins un précurseur de cuivre, i.e. des ions de cuivre Cu2+. Plus précisément, on utilise des solutions d'acétate de cuivre (Cu(CH3COO)2), de formiate de cuivre et/ou de propionate de cuivre. La concentration en Cu2+ de la solution contenant des ions Cu2+ est comprise entre 0,3 mol/L et 0,6 mol/L, et avantageusement d'environ 0,3 mol/L. Les inventeurs ont constaté que par rapport au sulfate de cuivre, l'utilisation d'une solution acétate de cuivre à concentration molaire identique permet d'obtenir une plus forte concentration de cristaux, répartie de manière plus homogène sur le substrat recouvert de VACNT. Impregnation of the entire thickness of the VACNT carpet depends on the composition of the plating bath, the nature of the precursor of the metal matrix and the density of the CNTs in the carpet. When galvanostatic electrodeposition, the galvanic bath used must contain in solution at least one copper precursor, ie copper ions Cu 2+. Specifically, solutions of copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), copper formate and / or copper propionate are used. The Cu 2+ concentration of the solution containing Cu 2+ ions is between 0.3 mol / L and 0.6 mol / L, and advantageously about 0.3 mol / L. The inventors have found that, with respect to copper sulphate, the use of a copper acetate solution with the same molar concentration makes it possible to obtain a higher concentration of crystals, distributed more evenly over the substrate coated with VACNT.
Selon un mode de réalisation avantageux, le bain galvanique comprend une solution d'acétate de cuivre, de préférence à 0,3 mol/L. According to an advantageous embodiment, the galvanic bath comprises a solution of copper acetate, preferably at 0.3 mol / l.
Avantageusement, le bain galvanique peut contenir de l'acétonitrile. L'acétonitrile favorise l'imprégnation des germes de cuivre dans le tapis de VACNT. Selon un mode de réalisation avantageux, la concentration du bain galvanique en acétonitrile est comprise entre 0,1 mmol/L et 1 mol/L, avantageusement de 0,5 mmol/L. La concentration d'espèces électroactives dans la couche de diffusion est aussi un paramètre influent sur la qualité du dépôt. En effet, le renouvellement du bain galvanique permet de recharger le bain en ions Cu2+ et d'obtenir in fine une forte concentration de cuivre dans tout le tapis de VACNT avec la présence de sphères, d'amas de cristaux de cuivre, croissant de façon homogène et isotrope. Avantageusement, le bain galvanique est renouvelé tous les temps t, t étant compris entre 30 minutes et 5 heures, préférentiellement compris entre 1 heure et 4 heures, et encore plus préférentiellement toutes les 3 heures. Advantageously, the galvanic bath may contain acetonitrile. Acetonitrile promotes the impregnation of copper seeds in the VACNT carpet. According to an advantageous embodiment, the concentration of the galvanic acetonitrile bath is between 0.1 mmol / L and 1 mol / L, advantageously 0.5 mmol / L. The concentration of electroactive species in the diffusion layer is also a parameter influencing the quality of the deposit. In fact, the renewal of the galvanic bath makes it possible to recharge the bath with Cu 2+ ions and finally to obtain a high concentration of copper throughout the VACNT carpet with the presence of spheres, clusters of copper crystals, increasing in a homogeneous and isotropic way. Advantageously, the galvanic bath is renewed at all times t, t being between 30 minutes and 5 hours, preferably between 1 hour and 4 hours, and even more preferably every 3 hours.
La durée totale de l'électrodéposition est fonction de l'épaisseur du dépôt désirée. Ainsi, pour une épaisseur de l'ordre de 250 μηι, la durée totale de l'électrodéposition ttot est comprise entre 2,5 heures et 3,5 heures, avantageusement d'environ 3h. Pour un échantillon d'un 1 mm d'épaisseur, la durée totale de l'électrodéposition ttot est comprise entre 10 heures et 14 heures, avantageusement d'environ 12 heures avec un renouvellement de la solution toutes les 3 ou 4 heures. L'optimisation de ces différents paramètres permet d'élaborer un matériau composite composé de VACNT dans une matrice métallique où le métal imprègne en profondeur le tapis de VACNT contrairement aux méthodes potentiostatiques où le métal est déposé en surface du tapis de VACNT de manière compacte, n'encapsulant que la partie supérieur des nanotubes de carbone sans imprégnation en profondeur. The total duration of the electroplating is a function of the thickness of the desired deposit. Thus, for a thickness of about 250 μηι, the total duration of electroplating t to t is between 2.5 hours and 3.5 hours, preferably about 3 hours. For a sample of 1 mm thick, the total time of electroplating t to t is between 10 hours and 14 hours, preferably about 12 hours with a renewal of the solution every 3 or 4 hours. The optimization of these different parameters makes it possible to develop a composite material consisting of VACNT in a metal matrix in which the metal deeply impregnates the VACNT carpet in contrast to the potentiostatic methods where the metal is deposited on the surface of the VACNT carpet in a compact manner, encapsulating only the upper part of the carbon nanotubes without deep impregnation.
Selon cette méthode un composite VACNT / Cu a été réalisé et caractérisé par EDX. Le composite VACNT / Cu comporte une forte concentration de cuivre métallique et de carbone. According to this method a VACNT / Cu composite was made and characterized by EDX. The VACNT / Cu composite has a high concentration of metallic copper and carbon.
La morphologie du dépôt observée au MEB (cf. figure 1 ) confirme la présence de cuivre en profondeur dans le tapis de VACNT ainsi que l'alignement des VACNT au sein du matériau composite. L'alignement des VACNT au sein du composite permet au matériau composite de conserver le caractère unidirectionnel des nanotubes et d'accroître la conductivité thermique du composite. The morphology of the deposit observed at SEM (see Figure 1) confirms the presence of copper deep in the VACNT carpet and the alignment of VACNT within the composite material. VACNT alignment within the composite allows the composite material to maintain the unidirectional character of the nanotubes and increase the thermal conductivity of the composite.
La fraction volumique des CNT dans le composite VACNT / matrice métallique est comprise entre 5 et 8% lorsque le dépôt de la matrice métallique est effectuée par électrodéposition galvanostatique stationnaire ou puisée. The volume fraction of the CNTs in the composite VACNT / metal matrix is between 5 and 8% when the deposition of the metal matrix is carried out by stationary or pulsed galvanostatic electroplating.
La diffusivité thermique du composite VACNT / matrice métallique a été mesurée à partir d'une méthode d'analyse flash, la chaleur spéficique par calorimétrie différentielle à balayage en mode modulé et la masse volumique apparente a été déterminée par mesure de la masse du composite et par la mesure de l'épaisseur et de la surface des composites afin de déterminer le volume des composites. La conductivité thermique des composites VACNT / Cu élaboré est estimée entre 300 et 385 W/mK. The thermal diffusivity of the composite VACNT / metal matrix was measured from a flash analysis method, the differential scanning calorimetry specific heat in modulated mode and the bulk density was determined by measuring the mass of the composite and by measuring the thickness and surface of the composites to determine the volume of the composites. The thermal conductivity of the elaborated VACNT / Cu composites is estimated between 300 and 385 W / mK.
Le procédé selon l'invention peut aussi être mis en œuvre avec des nanofibres de carbone verticalement alignées. Ce mode de réalisation est moins préféré. Avec les méthodes de l'état de la technique, on n'obtient pas une densité surfacique de nanofibres de carbone verticalement alignées aussi élevée qu'avec les nanotubes de carbone verticalement alignés. Ceci tend à diminuer la conductivité thermique du composite obtenu. The process according to the invention can also be implemented with vertically aligned carbon nanofibers. This embodiment is less preferred. With the methods of the state of the art, a surface density of vertically aligned carbon nanofibers is not as high as vertically aligned carbon nanotubes. This tends to reduce the thermal conductivity of the composite obtained.
Après synthèse des composites VACNT / Cu, un recuit (ou frittage) du composite peut être réalisé afin d'améliorer la conductivité électrique, la conductivité thermique et la recristallisation du métal. Ce recuit facilite la coalescence des grains permettant d'accroître la tenue mécanique du composite et de diminuer le pourcentage d'air présent dans le composite. Le recuit peut être réalisé sous atmosphère inerte, par exemple avec un pourcentage d'02 et d'H20 inférieur à 5ppm) à 400°C, à l'aide d'une plaque chauffante. After synthesis of the VACNT / Cu composites, an annealing (or sintering) of the composite can be carried out in order to improve the electrical conductivity, the thermal conductivity and the recrystallization of the metal. This annealing facilitates the coalescence of the grains making it possible to increase the mechanical strength of the composite and to reduce the percentage of air present in the composite. The annealing may be carried out under an inert atmosphere, for example with a percentage of 0 2 and H 2 O less than 5 ppm) at 400 ° C., using a heating plate.
Le recuit peut être réalisé dans un four à recuit thermique rapide à 1000°C pendant 10 min à une vitesse de 50°C/min en présence d'un gaz réducteur, de préférence dans un mélange d'hydrogène et d'azote, plus préférentiellement dans un mélange d'hydrogène et d'azote contenant 5% molaire d'hydrogène. The annealing can be carried out in a rapid thermal annealing furnace at 1000 ° C for 10 min at a rate of 50 ° C / min in the presence of a reducing gas, preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen, plus preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen containing 5 mol% of hydrogen.
Un recuit photonique peut être réalisé en exposant les composites VACNT/Cu à un flash lumineux de haute intensité appliqué sur la face opposée au substrat, sur une période extrêmement courte (<10ms) et avec un spectre assez large qui englobe le spectre visible. Une lampe à arc au xénon convient. Cette technique permet d'effectuer un recuit en atmosphère non contrôlée sans élévation de température. Cette technique est particulièrement adaptée aux composites VACNT/Cu dont le substrat est souple et a une tenue thermique inférieure à 300°C. Photonic annealing can be achieved by exposing the VACNT / Cu composites to a high-intensity bright flash applied on the opposite side of the substrate, over an extremely short period (<10ms) and with a fairly wide spectrum that encompasses the visible spectrum. A xenon arc lamp is suitable. This technique allows annealing in an uncontrolled atmosphere without elevation of temperature. This technique is particularly suitable for VACNT / Cu composites whose substrate is flexible and has a thermal resistance below 300 ° C.
Exemples Examples
L'invention est illustrée ci-dessous par des exemples qui cependant ne limitent pas l'invention. Ces exemples portent sur un procédé de fabrication de matériaux composites à matrice métallique élaborés à partir de VACNT déposés sur un substrat sensiblement plan, la caractérisation de ces matériaux et leurs utilisations comme matériau d'interface thermique. The invention is illustrated below by examples which, however, do not limit the invention. These examples relate to a method for manufacturing metal matrix composite materials made from VACNT deposited on a substantially plane substrate, the characterization of these materials and their uses as thermal interface material.
Elaboration de nanotubes verticalement alignés (VACNT) Development of vertically aligned nanotubes (VACNT)
Des NTC verticalement alignés sur une tranche de silicium de surface de 1 cm2 ont été déposés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le substrat a été chauffé à une température de 850°C dans un four, puis a été exposé à cette température pendant 75 minutes à un mélange gazeux de toluène et de ferrocène, qui a été introduit dans la chambre de réaction sous la forme d'un aérosol dans un flux d'argon. La pression était atmosphérique. Ainsi on a obtenu un produit appelé ici « tapis de VACNT ». NTCs vertically aligned on a 1 cm 2 surface silicon wafer were deposited by chemical vapor deposition (CVD). The substrate was heated at a temperature of 850 ° C in an oven and then exposed to this temperature for 75 minutes to a gaseous mixture of toluene and ferrocene, which was introduced into the reaction chamber in the form of an aerosol in an argon flow. The pressure was atmospheric. So we got a product called here "VACNT carpet".
Après synthèse, un tapis de VACNT de 1 cm2 à 10 mg a été obtenu dont les nanotubes de carbone possèdent un diamètre externe moyen de 45 nm. La densité du tapis (hors substrat) a été mesurée par pycnométrie et était de 2,2 g. cm"3, et l'épaisseur du tapis (i.e. la longueur des nanotubes) était de 450 μηη environ. D'autres tapis de VACNT ont été élaborés selon le même procédé et employés dans le cadre de la fabrication d'un matériau composite VACNT / matrice cuivre (cf. tableaux 1 et 3 ci-après). Fabrication d'un matériau composite VACNT / matrice métallique par électrodéposition en mode galvanostatique stationnaire After synthesis, a VACNT mat of 1 cm 2 to 10 mg was obtained in which the carbon nanotubes have an average external diameter of 45 nm. The density of the carpet (excluding substrate) was measured by pycnometry and was 2.2 g. cm "3, and the thickness of the mat (ie the length of the nanotubes) was 450 μηη about. Other mats VACNT were prepared by the same method and used in the context of the manufacture of a composite material VACNT / copper matrix (see Tables 1 and 3 below). Manufacture of VACNT composite material / metal matrix by electroplating in stationary galvanostatic mode
L'électrodéposition galvanostatique consiste à plonger le substrat précédemment recouvert de VACNT dans un bain contenant les éléments à déposer (10 ml_) et à appliquer un courant constant entre une électrode auxiliaire et une électrode de travail constitué dudit substrat précédemment recouvert de VACNT ; ce qui entraine une variation du potentiel en fonction du temps. Cette méthode permet d'imposer un flux de particules constant au tapis de VACNT, tout en décalant le seuil de potentiel, et in fine de déposer plus en profondeur le métal dans le tapis de VACNT au regard d'autres techniques de dépôt dont la méthode potentiostatique. Galvanostatic plating consists of immersing the substrate previously coated with VACNT in a bath containing the elements to be deposited (10 ml) and applying a constant current between an auxiliary electrode and a working electrode consisting of said substrate previously covered with VACNT; which leads to a variation of the potential as a function of time. This method makes it possible to impose a constant particle flux to the VACNT mat, while shifting the potential threshold, and ultimately to deposit the metal in the VACNT mat further in depth with respect to other deposition techniques including the method potentiostat.
Le tapis de VACNT précédemment obtenu a ainsi été introduit dans un bain de galvanisation possédant une concentration en acétate de cuivre ou en sulfate de cuivre en présence d'acétonitrile comme mentionné dans le tableau 1 ci-après. The VACNT carpet previously obtained was thus introduced into a galvanizing bath having a concentration of copper acetate or copper sulfate in the presence of acetonitrile as mentioned in Table 1 below.
Après introduction du tapis de VACNT dans le bain galvanique, une électrodéposition de cuivre a été réalisée à une densité de courant constante J de -50 mA.cm 2. After introduction of the VACNT carpet into the electroplating bath, copper plating was performed at a constant current density J of -50 mA.cm 2 .
La durée totale de l'électrodéposition a été de 1 heure. Elle a été choisie en fonction de l'épaisseur finale du dépôt désirée de l'ordre de 250 μηι. The total time of electroplating was 1 hour. It was chosen according to the final thickness of the desired deposit of the order of 250 μηι.
Tableau 1 : Conditions expérimentales permettant l'élaboration des composites VACNT / Cu par électrodéposition en mode galvanostatique sous une densité de courant constante de -50 mA.cm"2 Table 1: Experimental conditions for the elaboration of VACNT / Cu composites by electroplating in galvanostatic mode at a constant current density of -50 mA.cm -2
Renouvellement du Renewal of
Additif Additive
bain galvanostatique galvanostatic bath
Nom de épaisseur [CuS04] [Cu(CH3COO)2] [C2H3N] (PEG Thickness name [CuS0 4 ] [Cu (CH 3 COO) 2 ] [C 2 H 3 N] (PEG
(nombre de l'échantillon (μηι) (mol/L) (mol/L) (mmol/L) (100  (number of the sample (μηι) (mol / L) (mol / L) (mmol / L) (100
renouvellements mg)  mg renewals)
effectués) made)
ECU011 250 0,6 1 ECU011 250 0.6 1
ECU018 250 0,3 0,5 5  ECU018 250 0.3 0.5 5
ECU020 250 0,6 Solvant  ECU020 250 0.6 Solvent
ECU031 200 0,6 Solvant  ECU031 200 0.6 Solvent
ECU008 200 0,6 1  ECU008 200 0.6 1
ECU006 300 0,6 1  ECU006 300 0.6 1
ECU006' 300 0,6 1  ECU006 '300 0.6 1
ECU009 200 0,6 2  ECU009 200 0.6 2
ECU010 250 0,3 0,5 2  ECU010 250 0.3 0.5 2
ECU017 250 0,3 0,5 X Après synthèse, l'électrodéposition a été arrêtée. Les échantillons ont ensuite été extraits du bain galvanique, rincés à l'eau puis séchés à l'air libre. Les échantillons ont ensuite été analysés au microscope électronique à balayage et présentés en figure 1 b. ECU017 250 0.3 0.5 X After synthesis, the electrodeposition was stopped. The samples were then extracted from the plating bath, rinsed with water and then dried in the open air. The samples were then analyzed by scanning electron microscope and shown in Figure 1b.
D'autres essais ont été réalisés sur des tapis de VACNT précédemment obtenus et 5 détachés de leur substrat après synthèse par cisaillement selon un procédé connu de l'homme du métier afin d'une part de visualiser plus facilement l'imprégnation en profondeur du cuivre et d'autre part d'évaluer l'influence du contact électrique sur le dépôt en effectuant un contact en face avant (F. Av) et/ou en face arrière des tapis de VACNT. Other tests were carried out on VACNT carpets previously obtained and detached from their substrate after shear synthesis according to a method known to those skilled in the art in order, on the one hand, to visualize more easily the deep impregnation of copper. and secondly to evaluate the influence of the electrical contact on the deposit by making a contact on the front face (F. Av) and / or back of the VACNT mats.
On entend par « contact en face arrière » (abrégé ci-après F. Ar), un contact électrique 10 réalisé à la surface du tapis de VACNT détachés de leur substrat après synthèse, et ce, sur la surface préalablement en contact du substrat. The term "backface contact" (hereinafter abbreviated F. Ar) means an electrical contact 10 made on the surface of the VACNT mat detached from their substrate after synthesis, and this on the surface previously in contact with the substrate.
On entend par « contact en face avant » (abrégé ci-après F. Av), un contact électrique réalisé à la surface du tapis de VACNT détachés de leur substrat après synthèse, à la fois sur la surface préalablement en contact du substrat, sur celle diamétralement opposée à 15 cette surface et sur une surface contiguë à ces deux surfaces. "Front-face contact" (hereinafter abbreviated as F. Av) means an electrical contact made on the surface of the VACNT mat detached from their substrate after synthesis, both on the surface previously in contact with the substrate, on that diametrically opposed to this surface and on a surface contiguous to these two surfaces.
Après introduction du tapis de VACNT dans le bain galvanique, une électrodéposition cuivre en mode galvanostatique stationnaire a été réalisée. After introduction of the VACNT carpet into the electroplating bath, a stationary galvanostatic copper plating was performed.
Tableau 2 : Conditions expérimentales permettant l'élaboration des composites VACNT / Cu sans substrat par électrodéposition en mode galvanostatique stationnaire Table 2: Experimental conditions allowing the elaboration of VACNT / Cu composites without substrate by electrodeposition in stationary galvanostatic mode
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Figure imgf000024_0001
20 Après synthèse, l'électrodéposition a été arrêtée. Les échantillons ont ensuite été extraits du bain galvanique, rincés à l'eau (ou à l'acétonitrile pour l'échantillon ECU041 ) puis séchés à l'air libre. Les échantillons ont ensuite été analysés au microscope électronique à balayage et présentés en figures 4 et 5, nous permettant d'évaluer l'effet des constituants du bain galvanique. 20 After synthesis, the electrodeposition was stopped. The samples were then extracted from the plating bath, rinsed with water (or with acetonitrile for sample ECU041) and then dried in the open air. The samples were then analyzed by scanning electron microscope and shown in Figures 4 and 5, allowing us to evaluate the effect of the constituents of the plating bath.
Les inventeurs ont constaté qu'une solution de sulfate de cuivre ne donne pas de bons résultats pour élaborer des matériaux composites VACNT / Cu par électrodéposition en mode galvanostatique stationnaire car le cuivre n'imprègne pas sur toute la profondeur du tapis de VACNT. En revanche, l'utilisation d'une solution comprenant de l'acétate de cuivre et de l'acétonitrile comme bain galvanique permet d'obtenir des composites VACNT / Cu où le cuivre imprègne en profondeur le tapis de VACNT (cf. figure 4, échantillon ECU055 et figure 5, échantillon ECU056) où l'on observe la présence de cristaux sphériques au sein du tapis, répartis de façon homogène. La figure 4 (échantillon ECU055) montre la présence de sphères de diamètre important espacées par plusieurs micromètres entre elles. Cela s'explique par une densité de courant importante (J= - 200 mA.cm"2) et un temps de dépôt faible (t = 10min). A l'inverse, la figure 5 (échantillon ECU056) montre des sphères de diamètre inférieur, mais cependant plus nombreuses. Ceci peut être expliqué par un temps de dépôt plus important (t = 10 min) et une densité de courant plus faible (J= - 32 mA.cm"2). Comme le montre les clichés MEB des figures 4 et 5, la taille des cristaux est proportionnelle à la durée du dépôt, tout comme le nombre de germes est proportionnel à la densité de courant appliquée. The inventors have found that a solution of copper sulphate does not give good results for developing VACNT / Cu composite materials by electroplating in a stationary galvanostatic mode because the copper does not impregnate the entire depth of the VACNT carpet. On the other hand, the use of a solution comprising copper acetate and acetonitrile as a galvanic bath makes it possible to obtain VACNT / Cu composites in which the copper deeply impregnates the VACNT carpet (see FIG. sample ECU055 and FIG. 5, sample ECU056) where the presence of spherical crystals in the carpet is observed, distributed homogeneously. Figure 4 (sample ECU055) shows the presence of spheres of large diameter spaced by several micrometers between them. This is due to a large current density (J = - 200 mA.cm "2). And a low deposition time (t = 10min) Conversely, Figure 5 (sample ECU056) shows diameter spheres However, this can be explained by a longer deposition time (t = 10 min) and a lower current density (J = -32 mA.cm "2 ). As shown by the SEM images of Figures 4 and 5, the size of the crystals is proportional to the duration of the deposition, just as the number of seeds is proportional to the current density applied.
L'échantillon ECU055 a été synthétisé avec un contact en face avant, et l'échantillon ECU056 par contact en face arrière. Des clichés MEB de ces échantillons sont présentés respectivement en figure 6A et 6B. Un dépôt plus important en surface est observé pour l'échantillon ECU055 ayant été synthétisé avec un contact en face avant qu'en face arrière. Le contact en face arrière favorise une meilleure imprégnation du cuivre dans tout le tapis. Fabrication d'un matériau composite VACNT / matrice métallique par électrodéposition galvanostatique par courants puisés Sample ECU055 was synthesized with front panel contact, and sample ECU056 by rear panel contact. SEM images of these samples are presented respectively in Figure 6A and 6B. A larger deposit on the surface is observed for the sample ECU055 which has been synthesized with a contact on the front face than on the back. The contact on the back side promotes better impregnation of copper throughout the carpet. Manufacture of VACNT composite material / metal matrix by galvanostatic electrodeposition by pulsed currents
Le tapis de VACNT précédemment obtenu a été introduit dans un bain de galvanisation (10 mL) possédant une concentration en acétate de cuivre ou en sulfate de cuivre en l'absence ou en présence d'acétonitrile comme mentionné dans le tableau 1 , tout comme les paramètres d'électrodéposition galvanostatique par courants puisés choisis. The previously obtained VACNT carpet was introduced into a galvanizing bath (10 mL) having a concentration of copper acetate or copper sulfate in the absence or in the presence of acetonitrile as mentioned in Table 1, as well as the galvanostatic electrodeposition parameters by selected pulsed currents.
Après introduction du tapis de VACNT dans le bain galvanique, une électrodéposition de cuivre a été réalisée selon les paramètres J0, Jpeak, ton et toff divulgués dans le tableau 3. La durée totale de l'électrodéposition, présentée dans le tableau 3, a été choisie en fonction de l'épaisseur finale du dépôt désirée de l'ordre de 250 μηι. After introduction of the VACNT carpet into the plating bath, copper plating was carried out according to the parameters J 0 , J pe ak, t on and t off disclosed in Table 3. The total duration of electrodeposition, presented in FIG. Table 3 was chosen according to the final thickness of the desired deposit of the order of 250 μηι.
Conditions expérimentales permettant l'élaboration des composites VACNT / Cu par électrodéposition galvanostatique par courants puisés Experimental conditions for the elaboration of VACNT / Cu composites by galvanostatic electrodeposition by pulsed currents
Figure imgf000026_0001
Dans le cas de l'échantillon ECU019, un renouvellement du bain galvanique (10 ml_) a été effectué toutes les heures afin de recharger la solution. Le renouvellement du bain galvanique a permis d'obtenir une forte concentration en cuivre dans tout le tapis, avec la présence de sphères, d'amas de cristaux de cuivre, croissants de façon homogène et isotrope. Après synthèse, l'électrodéposition a été arrêtée. Les échantillons ont ensuite été extraits du bain galvanique, rincés à l'eau puis séchés à l'air libre. Les échantillons ont ensuite été analysés au microscope électronique à balayage et présentés en figure 1 c. Dans le cas de l'échantillon ECU015, 100 mg de polyéthylène glycol (PEG) ont été ajoutés au bain galvanique. L'ajout de PEG au bain galvanique n'a pas d'effet sur la structure finale du composite VACNT / Cu obtenu.
Figure imgf000026_0001
In the case of sample ECU019, a renewal of the galvanic bath (10 ml) was carried out every hour in order to reload the solution. The renewal of the galvanic bath has resulted in a high concentration of copper throughout the carpet, with the presence of spheres, clusters of copper crystals, growing homogeneously and isotropically. After synthesis, the electrodeposition was stopped. The samples were then extracted from the plating bath, rinsed with water and then dried in the open air. The samples were then analyzed by scanning electron microscope and presented in Figure 1c. In the case of sample ECU015, 100 mg of polyethylene glycol (PEG) was added to the plating bath. The addition of PEG to the galvanic bath has no effect on the final structure of the VACNT / Cu composite obtained.
Un autre essai a été réalisé sur un tapis de VACNT précédemment obtenu et détaché de son substrat. Après introduction du tapis de VACNT dans le bain galvanique, une électrodéposition de cuivre en mode galvanostatique par courants puisés a été réalisée. Another test was performed on a carpet of VACNT previously obtained and detached from its substrate. After introduction of the VACNT carpet into the galvanic bath, a galvanostatic copper plating by pulsed currents was carried out.
Tableau 4 : Conditions expérimentales permettant l'élaboration des composites VACNT / Cu sans substrat par électrodéposition galvanostatique par courants puisés Table 4: Experimental conditions allowing the elaboration of VACNT / Cu composites without substrate by galvanostatic electrodeposition by pulsed currents
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000027_0001
Après synthèse, l'électrodéposition a été arrêtée. L'échantillon ECU007 a ensuite été extrait du bain galvanique, rincé à l'acétonitrile puis séché à l'air libre. After synthesis, the electrodeposition was stopped. Sample ECU007 was then extracted from the plating bath, rinsed with acetonitrile and then dried in the open air.
Le dépôt de cuivre observé était conséquent et homogène, mais lors du rinçage à l'acétonitrile, tout le cuivre déposé s'est oxydé, et s'est détaché du tapis. Le résultat obtenu est un tapis densifié exempt de cuivre. Afin de s'affranchir de ces effets indésirables, il est préférable d'utiliser un solvant différent de celui employé dans le bain galvanique. L'emploi d'eau ou de composés huileux pour rincer les composites VACNT/Cu après synthèse permettent d'éviter la formation de fissures dans le composite lors du séchage. The copper deposit observed was consistent and consistent, but when rinsing with acetonitrile, all the deposited copper oxidized, and detached from the carpet. The result is a densified carpet without copper. In order to overcome these undesirable effects, it is preferable to use a solvent different from that used in the electroplating bath. The use of water or oily compounds to rinse the VACNT / Cu composites after synthesis makes it possible to avoid the formation of cracks in the composite during drying.
Analyse des composites VACNT / Cu La diffusivité thermique des composites VACNT / Cu a été déterminée par la méthode Flash. Le composite VACNT / Cu a été illuminé par un puise de radiation d'énergie élevée d'une lampe au xénon (XFA). L'énergie produite par le XFA a été absorbée par la face avant de l'échantillon. La température de la face arrière de l'échantillon a été mesurée en fonction du temps. La diffusivité a été déterminée selon la loi émise par Parker et al. (cf. Parker et al., "Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Analysis of VACNT / Cu composites The thermal diffusivity of VACNT / Cu composites was determined by the Flash method. The VACNT / Cu composite was illuminated by a high energy radiation sink of a xenon lamp (XFA). The energy produced by the XFA was absorbed by the front face of the sample. The temperature of the back side of the sample was measured as a function of time. Diffusivity was determined according to the law issued by Parker et al. (Cf. Parker et al., "Flash Method of Determining Thermal Diffusion, Heat Capacity, and
0 138 xL^  0 138 xL ^
Thermal Conductivity", J. Appl. Phys., 1961 ) telle que a = ' 2— où L est l'épaisseur de l'échantillon analysé, et t1/2 est le temps nécessaire pour que la température sur la face arrière de l'échantillon atteigne la moitié de la diffusivité maximum possible pour le matériau. Thermal Conductivity ", J. Appl Phys, 1961) such that a = '2 -.. Where L is the thickness of the analyzed sample, and t1 / 2 is the time required for the temperature on the rear face of sample reaches half of the maximum possible diffusivity for the material.
La diffusivité thermique du tapis VACNT seul est environ de 9,5.106 mm2/s. La diffusivité thermique du composite VACNT/ Cu est estimée entre 1 16 et 1 17 mm2/s, notamment selon l'équation suivanteThe thermal diffusivity of the carpet VACNT alone is approximately 9.5 × 10 6 mm 2 / s. The thermal diffusivity of the composite VACNT / Cu is estimated between 1 16 and 1 17 mm 2 / s, in particular according to the following equation
^Composite = ^composite- CPcomposite - ^Composite ^ ^-Composite SSt la COndUCtlVlté thermique dU composite VACNT/ Cu, Cpcomposite sa chaleur spécifique et pComposite la masse volumique du composite déterminée ci-après. Composite ^ = ^ composite- CPcomposite - ^ ^ ^ Composite -Composite SSt thermal COndUCtlVlté composite VACNT / Cu composite Cp specific heat and p Composite density of the composite is determined as follows.
La conductivité thermique du composite VACNT / Cu a été déterminée selon la loi des mixtures en fonction de la conductivité thermique de chaque matériau (λ) et de leur fraction volumique dans le composite (Vf% ). Compte-tenu de la configuration des VACNT dans une matrice et leurs propriétés anisotropiques en termes de conduction thermique, le « modèle parallèle » de la loi des mixtures a été employé afin d'évaluer la conductivité thermique du composite ( λ com osite ) selon la formule suivante : λ composite = <¾· matrice -Vf% matrice + -Vf% [1] The thermal conductivity of the VACNT / Cu composite was determined according to the law of the mixtures as a function of the thermal conductivity of each material (λ) and of their volume fraction in the composite (V f% ). Given the configuration of VACNTs in a matrix and their anisotropic properties in terms of thermal conduction, the "parallel model" of the law of mixtures was used to evaluate the thermal conductivity of the composite (λ comosite) according to the following formula: λ composite = <¾ · matrix -Vf% matrix + -Vf% [1]
Dans ce modèle, la résistance de contact entre ces deux matériaux est considérée comme nulle et on considère qu'il n'y a pas d'échange thermique transverse entre les matériaux. La fraction volumique des nanotubes verticalement alignés (CNT) dans le composite VACNT / Cu est déterminée expérimentalement en comparant la densité théorique des CNT à celle mesurée au pycnomètre à hélium. Pour l'échantillon ECU013, la fraction volumique des nanotubes verticalement alignés, Vf% C a été déterminée expérimentalement et est de 5,2 %. In this model, the contact resistance between these two materials is considered to be zero and it is considered that there is no transverse heat exchange between the materials. The volume fraction of vertically aligned nanotubes (CNTs) in the VACNT / Cu composite is determined experimentally by comparing the theoretical density of CNTs with that measured with the helium pycnometer. For the ECU013 sample, the volume fraction of the vertically aligned nanotubes, V f% C was determined experimentally and is 5.2%.
La fraction volumique des CNT dans le composite est comprise entre 5 et 8%. The volume fraction of the CNTs in the composite is between 5 and 8%.
La fraction volumique du cuivre dans le composite est comprise entre environ 92 et environ 95%. The volume fraction of the copper in the composite is from about 92 to about 95%.
La chaleur spécifique Cp et la masse volumique du composite VACNT / Cu ont été mesurées. Pour l'échantillon ECU013, la chaleur spécifique du composite VACNT / Cu (Cp) est de 425± 20 J.kg"1.K"1 à 25°C; et la masse volumique du composite VACNT / Cu (p) est de 7540 ± 178 kg.m"3. L'équation [1 ] pour la conductivité thermique peut également s'écrire en explicitant la chaleur spécifique et la masse volumique selon l'équation [2] : The specific heat Cp and the density of the VACNT / Cu composite were measured. For the ECU013 sample, the specific heat of the VACNT / Cu (Cp) composite is 425 ± 20 J.kg -1 .K -1 at 25 ° C; and the density of the VACNT / Cu (p) composite is 7540 ± 178 kg.m- 3 . The equation [1] for thermal conductivity can also be written by explaining the specific heat and the density according to equation [2]:
P CPcomposite = Vf %Matrice-
Figure imgf000029_0001
Pu trice + Vf %CNT- PcNT + Vf %Air- PAÎT [2] en considérant pour l'équation [2] les paramètres mesurés pour des échantillons VACNT brut avec CpCNTex . = 697 J. Kg"1.K"1 , pcNTex = 80 Kg. m"3, ainsi que les paramètres donnés par la littérature CpCu théo. = 385 J.Kg"1.K"\ pCu théo. = 8 960 Kg. m"3, CpAir théo. = 1 000 J.Kg1.IC1 , pAir thôo. * 1 ,2 Kg.m"3.
P CPcomposite = Vf% Matrix-
Figure imgf000029_0001
Pu trice + Vf% CNT- PcNT + Vf% Air- PAÎT [2] considering for equation [2] the parameters measured for raw VACNT samples with Cp C NTex. = 697 Kg J. "1 .K" 1 pcNTex = 80 Kg. M "3, and the parameters given by Cp Cu theo literature. = 385 J.Kg" 1 .K "\ p Cu Theo. = 8 960 Kg. M- 3 , Cp A i r theo. = 1000 J.Kg 1 .IC 1 , pAir thôo. * 1, 2 Kg.m "3 .
Pour l'échantillon ECU013, la fraction volumique Vf% air et celle du cuivre Vf% cuivre ont été estimées, à partir de l'équation [3] suivante : C composite = Vf %CNT- C cNT + Vf %Matrice Cuivre-
Figure imgf000029_0002
[3] en considérant les paramètres mesurés pour des échantillons VACNT brut avec CpCNTex . « 697 J.Kg"1.K"1 , les paramètres donnés par la littérature CpCu théo. = 385 J.Kg"1.K"1 , CpAir théo. = 1 000 J.Kg1.K"1 , que la somme des fractions volumiques d'air, de cuivre et de CNT est égale à 1 et que la fraction volumique précédemment déterminée des nanotubes verticalement alignés Vf% CNT est de 5,2%.
For the ECU013 sample, the volume fraction V f% air and that of the copper V f % copper were estimated from the following equation [3]: C composite = Vf% CNT-C cNT + Vf% Copper matrix -
Figure imgf000029_0002
[3] considering parameters measured for raw VACNT samples with Cp C NTex. "697 J.Kg " 1 .K "1 , the parameters given by the literature Cp Cu theo. = 385 J. Kg "1 .K " 1 , Cp A ir theo. = 1000 J.Kg 1 .K "1 , that the sum of the volume fractions of air, copper and CNT is equal to 1 and that the previously determined volume fraction of vertically aligned nanotubes V f % C NT is 5 , 2%.
La « fraction volumique » a ainsi pu être estimée et présentée ci-après d'après les données présentées dans le tableau d'estimation suivant, montrant la détermination théorique de la chaleur spécifique et de la masse volumique (cf. tableau 5) en fonction des paramètres précédents et des paramètres variables que sont les fractions volumiques d'air et de cuivre. The "volume fraction" could thus be estimated and presented hereafter according to the data presented in the following estimation table, showing the theoretical determination of the specific heat and the density (see Table 5) according to previous parameters and variable parameters that are the volume fractions of air and copper.
Tableau 5 : Détermination théorique de la chaleur spécifique et de la masse volumique du composite VACNT/Cu en fonction des fractions volumiques d'air et de cuivre Table 5: Theoretical determination of the specific heat and density of the VACNT / Cu composite as a function of volume fractions of air and copper
Vf% Cuivre Vf% Air Cp composite P composite  Vf% Copper Vf% Air Cp Composite Composite P
% % J/Kg.K Kg/m3 %% J / Kg.K Kg / m 3
94,8% 0% 401 8158  94.8% 0% 401 8158
89,8% 5% 432 7178  89.8% 5% 432 7178
84,8% 10% 463 6328  84.8% 10% 463 6328
79,8% 15% 493 5585  79.8% 15% 493 5585
74,8% 20% 524 4928  74.8% 20% 524 4928
69,8% 25% 555 4344  69.8% 25% 555 4344
64,8% 30% 586 3822  64.8% 30% 586 3822
59,8% 35% 616 3352  59.8% 35% 616 3352
54,8% 40% 647 2926 49,8% 45% 678 2539 54.8% 40% 647 2926 49.8% 45% 678 2539
44,8% 50% 709 2186  44.8% 50% 709 2186
39,8% 55% 739 1861  39.8% 55% 739 1861
34,8% 60% 770 1563  34.8% 60% 770 1563
29,8% 65% 801 1288  29.8% 65% 801 1288
24,8% 70% 832 1033  24.8% 70% 832 1033
19,8% 75% 862 796  19.8% 75% 862 796
14,8% 80% 893 576  14.8% 80% 893,576
9,8% 85% 924 370  9.8% 85% 924 370
4,8% 90% 955 178  4.8% 90% 955 178
On en déduit donc selon les valeurs de Cp et de masse volumique mesurées pour l'échantillon ECU013 et celles théoriques présentées dans le tableau 5, pour le composite VACNT/Cu, une fraction volumique d'air Vf %Air théo selon Cp ou p < 5% et une fraction volumique de cuivre Vf %Cuivre théo selon Cp ou p > 89,8 %. Therefore, according to the Cp and density values measured for the sample ECU013 and those theoretically presented in Table 5, for the VACNT / Cu composite, a volume fraction of air V f% Air theo according to Cp or p is deduced. <5% and a volume fraction of copper V % Copper theo according to Cp or p > 89.8%.
En considérant maintenant pour l'équation [1], les paramètres mesurés pour des échantillons VACNT brut avec une fraction volumique expérimentale des CNT V0/oCNTexp. ~ 5,2 %, une conductivité thermique des CNT ÀCNTexp. ¾ 70 ^ .et ceux donnés par la littérature, i.e. la conductivité thermique théorique de l'air hAir thëo « 0,025 ^- et celle du cuivre hCu thëo ¾ 400 ^- nous pouvons estimer la conductivité thermique totale des composites VACNT / Cu (cf. tableau 6) selon l'équation [4] suivante : Considering now for equation [1], the parameters measured for raw VACNT samples with an experimental volume fraction of CNT V 0 / oCNTexp . ~ 5.2%, thermal conductivity CNTexp CNTs . ¾ 70 ^ .and those given in the literature, ie the theoretical thermal conductivity of air h Air Theo «0.025 ^ - and that of copper Cu Theo ¾ h ^ 400 - we can estimate the total thermal conductivity of composite VACNT / Cu (see Table 6) according to the following equation [4]:
^Composite = Vf %CNT- ^CNT + Vf %Matrice Q ^-Matrice Cuivre ^f %Air- ^Air [4] ^ Composite = Vf% CNT- ^ CNT + Vf% Matrix Q ^ -Brass Copper ^ f% Air- ^ Air [4]
Tableau 6 : Estimation de la conductivité thermique des composites VACNT / Cu conductivité thermique du composite Table 6: Estimation of the thermal conductivity of composite VACNT / Cu thermal conductivity of the composite
Vf% Cuivre Vf% Air calculée selon l'équation [4]  Vf% Copper Vf% Air calculated according to equation [4]
composite  composite
% % W/m.K  %% W / m.K
94,8% 0% 383  94.8% 0% 383
89,8% 5% 363  89.8% 5% 363
84,8% 10% 343  84.8% 10% 343
79,8% 15% 323  79.8% 15% 323
74,8% 20% 303  74.8% 20% 303
69,8% 25% 283  69.8% 25% 283
64,8% 30% 263  64.8% 30% 263
59,8% 35% 243  59.8% 35% 243
54,8% 40% 223  54.8% 40% 223
49,8% 45% 203  49.8% 45% 203
44,8% 50% 183  44.8% 50% 183
39,8% 55% 163 34,8% 60% 143 39.8% 55% 163 34.8% 60% 143
29,8% 65% 123  29.8% 65% 123
24,8% 70% 103  24.8% 70% 103
19,8% 75% 83  19.8% 75% 83
14,8% 80% 63  14.8% 80% 63
9,8% 85% 43  9.8% 85% 43
4,8% 90% 23  4.8% 90% 23
Connaissant les fractions volumiques d'air et de cuivre déduites précédemmentKnowing the voluminal fractions of air and copper previously deduced
(Vf %Air thêo. selon Cp < 5% et Vf %Cuivre théo. selon Cp ou p > 89>8 %)> la COndUCtivité thermique théorique du composite VACNT/Cu peut être estimée. Elle est comprise entre 363 W.rrfVK-1 < Àth,nrimiP < 383 \ΛΛ ΓΤΓ1. Κ"1 (V f% Air Theo. According Pc <5% and V f% Copper theo. According Cp or p>89> 8%)> the theoretical thermal conductivity of the composite VACNT / Cu can be estimated. It is between 363 W.rrfVK- 1th , nrimiP <383 \ ΛΛ ΓΤΓ 1 . Κ "1
Les composites VACNT/Cu obtenus par électrodéposition galvanostatique par courants puisés présentent une imprégnation du cuivre plus importante que ceux obtenus par électrodéposition galvanostatique stationnaire. Essais de fabrication d'un matériau composite VACNT / matrice métallique par électrodéposition potentiostatique The VACNT / Cu composites obtained by galvanostatic electrodeposition by pulsed currents exhibit a greater copper impregnation than those obtained by stationary galvanostatic electroplating. Tests for manufacturing a VACNT composite material / metallic matrix by potentiostatic electrodeposition
Le tapis de VACNT précédemment obtenu a été introduit dans un bain d'électrodéposition possédant une concentration en sulfate de cuivre en l'absence ou en présence d'acétonitrile et d'additifs tels que du polyéthylène glycol (PEG), des ions chlorures (Cl), du bis(3-sulfopropyl)disulfide (SPS) ou du Janus Green B (JGB) comme mentionné dans le tableau 7 ci-après, tout comme les paramètres d'électrodéposition choisis. The VACNT carpet previously obtained was introduced into an electrodeposition bath having a copper sulfate concentration in the absence or in the presence of acetonitrile and additives such as polyethylene glycol (PEG), chloride ions (Cl ), bis (3-sulfopropyl) disulfide (SPS) or Janus Green B (JGB) as mentioned in Table 7 below, as well as the electrodeposition parameters chosen.
Le PEG (Polyéthylène Glycol) est connu pour être un agent mouillant, empêchant le dépôt de cuivre au sommet des tubes. De plus, en combinant le PEG avec des ions chlorures, on observe l'apparition d'un film de passivation, permettant d'améliorer le dépôt du cuivre. Le SPS (bis(3-sulfopropyl)disulfide) et JGB (Janus Green B) sont utilisés comme additifs nivelant, permettant un dépôt préférentiel dans les cavités plutôt qu'en surface. PEG (Polyethylene Glycol) is known to be a wetting agent, preventing the deposition of copper at the top of the tubes. Moreover, by combining the PEG with chloride ions, the appearance of a passivation film is observed, making it possible to improve the deposition of the copper. SPS (bis (3-sulfopropyl) disulfide) and JGB (Janus Green B) are used as leveling additives, allowing preferential deposition in cavities rather than surface.
Après introduction du tapis de VACNT dans le bain, une électrodéposition potentiostatique de cuivre a été réalisée aux potentiels fixes divulgués (E) dans le tableau 7. La durée totale de l'électrodéposition (t), présentée dans le tableau 7, a été choisie en fonction de l'épaisseur finale (e) du dépôt désirée comprise entre 165 μηη et 600 μηι, de préférence entre 189 μηη et 260 μηη. Tableau 7 : Conditions expérimentales permettant l'élaboration des composites VACNT /After introduction of the VACNT carpet into the bath, a potentiostatic copper plating was carried out at the fixed potentials disclosed (E) in Table 7. The total duration of electroplating (t), shown in Table 7, was chosen depending on the final thickness (e) of the desired deposit between 165 μηη and 600 μηι, preferably between 189 μηη and 260 μηη. Table 7: Experimental conditions for the preparation of composites VACNT /
Cu par électrodéposition potentiostatique Cu by potentiostatic electrodeposition
Figure imgf000032_0001
Figure imgf000032_0001
Dans le tableau 7, tous les essais ont été réalisés avec un bain comprenant du sulfate de cuivre à 0,6 mol/L et de l'acide sulfurique à 1 ,85 mol/L. Après l'électrodéposition de cuivre, un rinçage à l'eau puis un séchage au four à 60°C sous vide primaire (- 1 mbar) des composites VACNT/Cu ont été réalisés pour s'affranchir du dégagement gazeux d'acide sulfurique qui entrave les propriétés thermiques du TIM. In Table 7, all the tests were carried out with a bath comprising 0.6 mol / l copper sulphate and 1.85 mol / l sulfuric acid. After the electroplating of copper, rinsing with water and drying in the oven at 60 ° C. under primary vacuum (-1 mbar) of the VACNT / Cu composites were carried out to overcome the gaseous release of sulfuric acid which hinders the thermal properties of TIM.
La figure 2 montre l'observation par MEB de l'échantillon ECU054 exempt d'additif (cf. figure 2A) et celui élaboré en présence de PEG (ECU022, cf. figure 2B). Dans les deux cas, le dépôt de cuivre est surfacique. Aucune imprégnation du cuivre par le tapis n'a été observée. Figure 2 shows the observation by SEM of the sample ECU054 free of additive (see Figure 2A) and that prepared in the presence of PEG (ECU022, see Figure 2B). In both cases, the copper deposit is surface. No impregnation of copper by the carpet was observed.

Claims

Revendications claims
1 . Procédé de fabrication d'un matériau composite comprenant des nanotubes verticalement aligné(e)s (VACNT) déposés sur un substrat et une matrice métallique de cuivre enrobant lesdits nanotubes, dans lequel on effectue un dépôt électrochimique de ladite matrice métallique sur lesdits nanotubes verticalement alignés à partir d'une solution qui est en contact avec lesdits VACNT, ladite solution comprenant au moins un précurseur de ladite matrice métallique et au moins un solvant organique, 1. A process for manufacturing a composite material comprising vertically aligned nanotubes (VACNT) deposited on a substrate and a copper metal matrix coating said nanotubes, wherein electrochemical deposition of said metal matrix is carried out on said vertically aligned nanotubes from a solution which is in contact with said VACNTs, said solution comprising at least one precursor of said metal matrix and at least one organic solvent,
et ledit procédé étant caractérisé en ce que :  and said method being characterized in that:
- ledit au moins un précurseur est sélectionné dans le groupe formé par : l'acétate de cuivre (Cu(CH3COO)2), le formiate de cuivre, le propionate de cuivre ; et en ce que said at least one precursor is selected from the group consisting of: copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), copper formate, copper propionate; and in that
ledit dépôt électrochimique est une électrodéposition galvanostatique.  said electrochemical deposit is a galvanostatic electroplating.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les nanotubes verticalement alignés (VACNT) sur ledit substrat sont, préalablement au dépôt électrochimique, imprégnés par une encre conductrice, de préférence comprenant des particules métalliques, de préférence de taille nanométrique. 2. Method according to claim 1, characterized in that the vertically aligned nanotubes (VACNT) on said substrate are, prior to the electrochemical deposition, impregnated with a conductive ink, preferably comprising metal particles, preferably of nanometric size.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'encre conductrice est en solution aqueuse ou en solution organique, de préférence dans une solution à base de cétone, dans une solution d'acétone, dans une solution à base d'alcools, dans une solution d'éthanol ou d'isopropanol ou dans une solution comprenant un ester, un acide gras ou une huile. 3. Method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the conductive ink is in aqueous solution or organic solution, preferably in a solution based on ketone, in an acetone solution, in a alcohol-based solution, in a solution of ethanol or isopropanol or in a solution comprising an ester, a fatty acid or an oil.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les VACNT sont des nanotubes de carbone multi-feuillets. 4. Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the VACNT are multi-layer carbon nanotubes.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat est choisi parmi les substrats électriquement conducteurs. 5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the substrate is selected from electrically conductive substrates.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat est choisi parmi le silicium, l'acier inoxydable, l'aluminium et les alliages métalliques. 6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate is selected from silicon, stainless steel, aluminum and metal alloys.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dépôt électrochimique de ladite matrice sur lesdits VACNT est effectué par électrodéposition galvanostatique stationnaire ou électrodéposition galvanostatique par courants puisés. 7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the electrochemical deposition of said matrix on said VACNT is carried out by stationary galvanostatic plating or galvanostatic electroplating by pulsed currents.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'après le dépôt électrochimique un recuit du composite obtenu est réalisé. 8. Process according to any one of claims 1 to 7, characterized in that after the electrochemical deposition annealing of the composite obtained is carried out.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit recuit du composite obtenu est réalisé à 400°C, sous atmosphère inerte, de préférence dans une atmosphère dans laquelle la teneur cumulée en 02 et H20 est inférieur à 5 ppm massiques. 9. Method according to claim 8, characterized in that said annealing of the composite obtained is carried out at 400 ° C under an inert atmosphere, preferably in an atmosphere in which the cumulative content of O 2 and H 2 O is less than 5 ppm mass.
10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit recuit est réalisé en présence d'un gaz réducteur, de préférence dans un mélange d'hydrogène et d'azote, et de préférence à 1 000°C pendant 10 min avec une vitesse de chauffe de 50°C/min. 10. The method of claim 8, characterized in that said annealing is carried out in the presence of a reducing gas, preferably in a mixture of hydrogen and nitrogen, and preferably at 1000 ° C for 10 min with a heating rate of 50 ° C / min.
1 1 . Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit recuit du composite est réalisé par micro-onde, de préférence à une puissance incidente P, comprise entre 1 et 102 W/cm2 pendant un temps t compris entre 102 et 104 secondes. 1 1. Process according to claim 8, characterized in that said annealing of the composite is carried out by microwave, preferably at an incident power P, of between 1 and 10 2 W / cm 2 for a time t between 10 2 and 10 4 seconds.
12. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit recuit du composite est un recuit photonique. 12. The method of claim 8, characterized in that said annealing of the composite is a photonic annealing.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit recuit est réalisé à une puissance incidente Pi comprise entre 103 et 105 W/cm2 pendant un temps t compris entre 10"5 et 10"2 secondes. 13. The method of claim 12, characterized in that said annealing is performed at an incident power Pi between 10 3 and 10 5 W / cm 2 for a time t between 10 "5 and 10 " 2 seconds.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la densité surfacique de nanotubes de carbone, par rapport à la surface du substrat sur lequel ils ont été déposés, est inférieure à 5x1011/cm2, et de préférence comprise entre 109/cm2 et 1011/cm2. 14. Method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the surface density of carbon nanotubes, relative to the surface of the substrate on which they were deposited, is less than 5x10 11 / cm 2 , and preferably between 10 9 / cm 2 and 10 11 / cm 2 .
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que, lorsque le dépôt électrochimique de ladite matrice sur lesdits VACNT est effectué par électrodéposition galvanostatique par courants puisés : 15. Method according to any one of claims 7 to 14, characterized in that, when the electrochemical deposition of said matrix on said VACNT is carried out by galvanostatic electrodeposition by pulsed currents:
une densité de courant constante J0 comprise entre -5 mA.cm"2 et -50 mA.cm"2, préférentiellement entre -10 mA.cm"2 et -40 mA.cm"2, et encore plus avantageusement entre -15 mA.cm"2 et -35 mA.cm"2 est appliquée pendant des périodes (t0) de durée comprise entre 1 seconde et 10 secondes, préférentiellement entre 1 ,5 secondes et 5 secondes, et encore plus préférentiellement d'une valeur de 3 secondes; a constant current density J 0 between -5 mA.cm "2 and -50 mA.cm " 2 , preferably between -10 mA.cm "2 and -40 mA.cm " 2 , and even more advantageously between -15 mA.cm "2 and -35 mA.cm " 2 is applied during periods (t 0 ) of duration of between 1 second and 10 seconds, preferably between 1, 5 seconds and 5 seconds, and even more preferably of a value of 3 seconds;
une densité de courant d'impulsion J0 + Jpeak est appliquée pendant des périodes d'impulsion tpeak comprise entre 0,5 secondes et 5 secondes, préférentiellement entre 0,5 secondes et 3 secondes, et pendant lesquelles Jpeak est compris entre -20 mA.cm"2 et -100 mA.cm"2, préférentiellement entre -25 mA.cm"2 et -75 mA.cm2, et encore plus avantageusement entre -35 mA.cm"2 et -60 mA.cm2. a pulse current density J 0 + J peak is applied during periods of pulse t peak between 0.5 seconds and 5 seconds, preferably between 0.5 seconds and 3 seconds, and during which J peak is between -20 mA.cm "2 and -100 mA.cm " 2 , preferably between -25 mA.cm "2 and -75 mA.cm 2 , and even more preferably between -35 mA.cm " 2 and -60 mA. cm 2 .
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que J0 est compris entre -20 mA.cm"2 et -30 mA.cm"2, t0 est compris entre 2,5 secondes et 3,5 secondes, tpeak est compris entre 0,7 secondes et 1 ,3 secondes, et Jpeak est compris entre -45 mA.cm"2 et -55 mA.cm"2. 16. A method according to claim 15, characterized in that J 0 is between -20 mA.cm "2 and -30 mA.cm " 2 , t 0 is between 2.5 seconds and 3.5 seconds, tpea k is between 0.7 seconds and 1.3 seconds, and J peak is between -45 mA.cm -2 and -55 mA.cm -2 .
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que J0 est compris entre -23 mA.cm"2 et -27 mA.cm"2, t0 est compris entre 2,7 secondes et 3,3 secondes, t eak est compris entre 0,8 secondes et 1 ,2 secondes, et Jpeak est compris entre -47 mA.cm"2 et -53 mA.cm"2. 17. A method according to claim 16, characterized in that J 0 is between -23 mA.cm "2 and -27 mA.cm " 2 , t 0 is between 2.7 seconds and 3.3 seconds, t ea k is between 0.8 seconds and 1, 2 seconds, and J peak is between -47 mA.cm "2 and -53 mA.cm " 2 .
18. Composite comprenant des VACNT enrobés dans une matrice métallique, susceptible d'être préparé par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17. 18. Composite comprising VACNTs embedded in a metal matrix, capable of being prepared by a process according to any one of Claims 1 to 17.
19. Composite selon la revendication 18, caractérisé en ce que la densité surfacique de nanotubes de carbone, par rapport à la surface du substrat sur lequel ils ont été déposés, est comprise entre 109/cm2 et 1011/cm2 et de préférence entre 3 x 109/cm2 et 5 x1010/cm2. 19. Composite according to claim 18, characterized in that the surface density of carbon nanotubes, relative to the surface of the substrate on which they have been deposited, is between 10 9 / cm 2 and 10 11 / cm 2 and preferably between 3 x 10 9 / cm 2 and 5 x 10 10 / cm 2 .
20. Composite selon l'une quelconque des revendications 18 et 19, caractérisé en ce que la longueur desdits VACNT est supérieure à 200 μηη. 20. Composite according to any one of claims 18 and 19, characterized in that the length of said VACNT is greater than 200 μηη.
21 . Composite selon l'une quelconque des revendications 18 à 20, caractérisé en ce que la fraction volumique des VACNT est comprise entre 5 et 8%. 21. Composite according to any one of Claims 18 to 20, characterized in that the volume fraction of the VACNT is between 5 and 8%.
22. Composite selon l'une quelconque des revendications 18 à 21 , caractérisée en ce que la distance moyenne entre deux nanotubes voisins est comprise entre 40 nm et 100 nm. 22. Composite according to any one of claims 18 to 21, characterized in that the average distance between two neighboring nanotubes is between 40 nm and 100 nm.
23. Composite selon l'une quelconque des revendications 18 à 22, caractérisé en ce que sa conductivité thermique, dans la direction du tube, est supérieure à 300 W/m.K. 23. Composite according to any one of claims 18 to 22, characterized in that its thermal conductivity in the direction of the tube is greater than 300 W / m.K.
24. Utilisation d'un composite selon l'une quelconque des revendications 18 à 23 comme matériau d'interface thermique, notamment dans des dispositifs électroniques. 24. Use of a composite according to any one of claims 18 to 23 as a thermal interface material, in particular in electronic devices.
25. Utilisation d'un composite selon l'une quelconque des revendications 18 à 24 comme matériau conducteur électrique, de préférence dans des câbles électriques. 25. Use of a composite according to any one of claims 18 to 24 as an electrically conductive material, preferably in electrical cables.
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