Mémoire Online: Fabrication et analyse de nanomatériaux à bases d’oxydes par des techniques de diﬀusion de rayonnement

Sommaire: Fabrication et analyse de nanomatériaux à bases d’oxydes par des techniques de diﬀusion de rayonnement

Préliminaire
I État de l’art sur les méthodes de croissance d’oxydes par voie aqueuse et sol-gel
1 Présentation du ZnO
1.1 Propriétés optiques et électroniques
1.2 Propriétés chimiques
1.3 Structure cristalline
1.4 Applications
2 Quelques techniques de synthèse de ZnO
3 Synthèse de ZnO par voie aqueuse
4 Présentation de la silice
5 Élaboration de la silice par voie sol-gel
5.1 Principe du procédé sol-gel
5.1.1 Déﬁnition d’un gel
5.2 Les aspects chimiques de la polymérisation sol-gel
5.2.1 Inﬂuence du pH :
5.2.2 Vieillissement des gels
5.2.3 Séchage des gels
Bibliographie
II Étude in-situ de la cinétique de croissance de l’oxyde de zinc par voie aqueuse
1 Préparation de la solution pour croissance chimique du ZnO par voie aqueuse
2 Les expériences ex-situ
2.1 Fabrication de nanocristaux de ZnO par voie aqueuse
2.2 Analyse par Microscopie Électronique à Balayage (MEB)
2.3 Analyse par diﬀraction des rayons X
2.4 Analyse par spectroscopie Raman
2.4.1 Échantillons secs et rincés
2.4.2 Échantillons humides et non rincés
3 Les expériences in-situ de diﬀusion des rayons X
3.1 Présentation du dispositif expérimental
3.2 La Diﬀusion en Incidence Rasante (GID)
3.2.1 Résultats des mesures in-situ
Bibliographie
III Diagramme de phase binaire Eau/Brij58 étudié par la diﬀusion des rayons X aux petits angles (SAXS)
1 Généralités sur les tensioactifs
1.1 Les micelles
1.2 La solubilité des tensioactifs
2 Présentation du Brij58
3 Préparation des échantillons
4 La carte visuelle du diagramme de phase
5 Discussion des résultats SAXS
5.1 Analyse des phases micellaires
5.2 Analyse des phases cristallines
6 Mise en évidence de la transition solide liquide par la rhéologie
Bibliographie
IV Analyse par rayons X des ﬁlms minces mésoporeux de silice structurés par le Brij58
1 Processus de fabrication de ﬁlms minces mésoporeux
1.1 Préparation de la solution initiale
1.2 Les techniques de dépôt
2 Caractérisation de mésostructures
2.1 Réﬂectivité des rayons X appliquée aux ﬁlms minces mésoporeux
2.2 GISAXS appliqué aux ﬁlms minces mésoporeux
3 Analyse des paramètres pouvant inﬂuencer la structure des ﬁlms minces
3.1 Considérations générales sur la préparation des ﬁlms minces
3.1.1 Inﬂuence de fraction massique de Brij58
3.1.2 Inﬂuence de la dilution
3.1.3 Inﬂuence de la préparation initiale des substrats
3.1.4 Inﬂuence du vieillissement du sol
3.1.5 Inﬂuence de l’humidité relative
3.1.6 Inﬂuence de l’extraction du tensioactif
4 Analyse quantitative des ﬁlms poreux
4.1 Analyse des courbes de réﬂectivité de la structure cubique (ϕ = 43%)
4.2 Analyse des courbes de réﬂectivités de la structure mixte 2D hexa-gonale+cubique (ϕ = 53%)
4.2.1 Dépôt sur un substrat de verre
4.2.2 Dépôt sur un substrat de silicium
4.3 Analyse des courbes de réﬂectivités de la structure 2D hexagonale (ϕ = 62%)
Bibliographie
V Études in-situ de la condensation capillaire d’eau et de dioxyde de carbone dans des ﬁlms minces mésoporeux de silice
1 Condensation capillaire et équation de Kelvin
1.1 Équation de Young-Laplace
1.2 Équation de Kelvin
1.3 Relation entre le rayon moyen r
et la taille des pores
2 Analyse de la porosité par adsorption et désorption d’eau des ﬁlms minces m de silice structurés par du Brij58
2.1 Dispositif expérimental
2.2 Cycle d’humidité sur la structure mésoporeuse 2D hexagonale (ϕ = 62%)
2.2.1 Cycle d’humidité sur la structure mésoporeuse cubique (ϕ = 43%)
3 Fabrication et caractérisation de ﬁlms minces de silice 3D Hexagonale structurés par du CTAB
3.1 Préparation du sol et fabrication du ﬁlm
3.2 Caractérisation et analyse des ﬁlms minces de silice structurés par du CTAB
4 Condensation Capillaire de ﬂuides dans les pores des ﬁlms minces de silice structurés par du CTAB
4.1 Application à la condensation capillaire de l’eau
4.2 Application à la condensation capillaire du dioxyde de carbone
4.2.1 Présentation de la cellule haute pression
4.2.2 Étude de l’intensité du premier pic de Bragg
Bibliographie
VI Croissance d’oxyde de zinc dans la matrice mésoporeuse de silice en milieu aqueux
1 Processus expérimental
2 Analyse des résultats obtenus par :
2.1 Réﬂectivité des rayons X
2.2 Diﬀraction des rayons X
2.3 Absorption de la lumière
Bibliographie
Conclusion générale et perspectives
Annexe 1
1 Interaction rayonnement matière
1.1 L’absorption
1.2 La diﬀusion
2 Les rayons X
2.1 Découverte et propriétés des rayons X
2.2 Production des rayons X
2.3 Interaction des rayons X avec la matière
2.3.1 La réﬂexion des rayons X
2.3.2 L’absorption des rayons X
2.3.3 Diﬀusion et diﬀraction des rayons X
3 Caractérisation des couches minces mésostructurées
3.1 Matériaux en couche mince
3.2 Structure mésoscopique
3.3 Analyse structurale
3.4 Analyse chimique
4 Théorie de la diﬀusion
4.1 Section eﬃcace de diﬀusion
4.2 Diﬀusion par un électron ou un noyau
4.3 Diﬀusion par un atome
4.4 Diﬀusion par un milieu
5 Fonction d’autocorrélation
6 Statistique des ﬂuctuations
7 Systèmes biphasés
7.1 Valeur moyenne du carré des ﬂuctuations
7.2 Invariants du système biphasé
8 Fonction de corrélation de paires
8.1 Déﬁnition
8.2 Propriétés
9 Intensité diﬀusée
10 Système dilué de particules
10.1 Particule isolée
10.2 Particules indépendantes
10.3 Facteurs de forme de quelques particules
10.3.1 Particule sphérique
10.4 Loi de Porod
10.4.1 Particule cylindrique
11 Régime de Guinier
12 Analyse quantitative de la structure : Réﬂectivité des rayons X
12.1 Principe
12.2 Expression théorique de la réﬂectivité
12.2.1 Réﬂectivité d’une surface Formalisme de Fresnel
12.2.2 Réﬂectivité d’une multi couche
12.3 Exploitation des courbes de réﬂectivité et analyse quantitative
12.3.1 Plateaux et angles critiques de réﬂexion totale
12.3.2 Périodicité et épaisseur
12.3.3 Analyse quantitative des courbes de réﬂectivité
Bibliographie
Annexe 2
13 Le rayonnement synchrotron
13.1 Généralités
13.2 Production de rayonnement synchrotron
13.3 Le diﬀractomètre de la ligne ID10B
14 Le Diﬀractomètre X’Pert du laboratoire
15 Diﬀusion des rayons X en incidence rasante (GISAXS)
16 Diﬀusion de rayonnements aux petits angles (SAXS)
16.1 Principes de la diﬀusion centrale
16.1.1 Description du montage expérimental
16.2 Exemple de cliché SAXS
16.3 Présentation du spectromètre SAXS du laboratoire
16.3.1 La calibration
17 Approche théorique des résultats SAXS
17.1 Phase liquide
17.2 Phases cristallines
17.3 Programmation
18 Le Raman
18.1 Principe de la spectromètrie Raman
Bibliographie
Table des ﬁgures
Liste des tableaux
Résumé
Abstract

Extrait du mémoire fabrication et analyse de nanomatériaux à bases d’oxydes par des techniques de diﬀusion de rayonnement

Chapitre I: État de l’art sur les méthodes de croissance d’oxydes par voie aqueuse et sol-gel
Ce travail de thèse a porté sur l’étude d’oxydes fabriqués par voie sol-gel. Deux oxydes nous ont particulièrement intéressé : l’oxyde de zinc et la silice poreuse. Ces oxydes peuvent être synthétisés grâce à la « chimie douce ». Nous présenterons donc dans ce chapitre ces deux types d’oxydes et les principes de base de leur synthèse.

Fabrication et analyse de nanomatériaux
D’une manière générale, la morphologie des particules de ZnO et de la matrice mésoporeuse formées dépendent fortement des conditions de synthèse et du vieillissement des sols et peuvent être à l’origine de profonds changements dimensionnels, morphologiques, et structuraux. Ainsi, l’étude de la cinétique du processus de condensation s’avère être un paramètre très importante à contrôler. D’après J-P Jolivet [1], la précipitation en solution fait intervenir quatre étapes cinétiques illustrées à la Figure I.1 :
– étape I : La génération du précurseur de charge nulle [M(OH)z-2) N-z]0 (OH par hydroxylation rapide du cation, apte à se condenser et à former une phase solide.

Fabrication et analyse de nanomatériaux
– étape II : La naissance de germes ou nuclei, par condensation des précurseurs de charge nulle. La vitesse de condensation est fonction de la concentration du précurseur.

Fabrication et analyse de nanomatériaux
La vitesse est nulle à faible concentration et exponentielle à partir d’un certain seuil.
– étape III : La croissance des germes par apport de matière.
– étape IV : Le vieillissement provoque un changement de morphologie et de structure cristalline des particules. Cette dernière étape est marquée par une augmentation de la taille des particules.

Fabrication et analyse de nanomatériaux
Le nombre et la taille des particules sont intimement liés à la vitesse de nucléation et de croissance.
Avant de présenter l’étude faite sur la cinétique de croissance du ZnO par voie hydro thermale,ainsi que l’étude faite sur les ﬁlms minces mésoporeux de silice par des techniques de diﬀusion de rayonnement, nous apporterons quelques généralités sur la croissance par voie aqueuse de l’oxyde de zinc et sur le procédé sol-gel pour la synthèse de la silice.

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