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Nanostructures de ZnO

Introduction

Nanostructures de ZnOLes nanotechnologies et la nanoscience constituent certainement le domaine de recherche ayant connu le plus grand essor au cours des dix dernières années. Des méthodes de fabrication sont maintenant capables de réaliser la synthèse déterministe de nanostructures aux propriétés radicalement différentes de leurs formes macroscopiques, ouvrant la porte à des dispositifs jusqu’alors impossibles. Malgré tout, peu de techniques de nanofabrication possèdent les caractéristiques qui permettront de fabriquer ces nouveaux produits de façon efficace, car elles sont soit trop lentes, soit trop coûteuses et complexes.

Cette page est un résumé de mon projet de thèse de doctorat, réalisé à l’École Polytechnique de Montréal au Laboratoire Mécanique Multi-Échelles (LM2, Département de Génie Mécanique). L’objectif principal de ce projet était de développer une nouvelle technique de fabrication permettant de synthétiser localement des nanostructures sur une surface pour leur éventuelle intégration à un nanodispositif. En vue de son utilisation pour des applications commerciales, le procédé devait aussi être sélectif, reproductible, polyvalent, simple, rapide et peu coûteux. De plus, le procédé de fabrication devait avoir un impact environnemental minimal pour le développement durable.

Pour répondre à ce cahier des charges, un procédé laser combinant des caractéristiques de le dépôt chimique en phase liquide induite par laser (DCPLL) et des procédés sol-gel est proposé. Le procédé est très simple et consiste en trois étapes. Tout d’abord, une solution de composé précurseur est préparée. Puis, une goutte de solution d’un volume prédéterminé est déposée sur un substrat à l’aide d’une micropipette. La goutte est ensuite irradiée par un laser émettant dans l’infrarouge afin d’accomplir la synthèse rapide de nanostructures.

La synthèse de nanostructures de ZnO par DCPLL

Afin de démontrer la faisabilité du concept pour la synthèse de nanostructures, ce nouveau procédé a été utilisé pour la synthèse de nanostructures d’oxyde de zinc (ZnO). Le ZnO est devenu un des nanomatériaux les plus étudié des cinq dernières années car il présente des propriétés très intéressantes pour des applications optoélectroniques et de détection en milieu gazeux, tout en étant synthétisable selon plusieurs morphologies nanométriques.

À l’aide du procédé laser, le dépôt de recouvrements de plusieurs millimètres carrés de nanostructures diverses (nanotiges, nanofils, couches poreuses de nanoparticules) a été réalisée. Notamment, des nanotiges à sections hexagonales d’une largeur moyenne de 300 nm et d’une longueur de deux micromètres aux surfaces presque atomiquement plates ainsi que des nanofils d’environ 50 nm de diamètre aux longueurs pouvant dépasser quatre micromètres ont été synthétisées (figure 1). Le dépôt de nanostructures de ZnO est innovateur pour les procédés laser, car seul le dépôt chimique en phase vapeur induite par laser (DCPVL) et le dépôt par laser pulsé (DLP) avait été utilisés pour produire du ZnO, et ce, uniquement sous la forme de couches minces et de nanoparticules.

Figure 1 : Exemple de nanotiges déposées par DCPLL

Figure 1 : Exemple de nanotiges déposées par DCPLL

Caractérisation et optimisation du procédé

Un des objectifs secondaires de ce projet était d’améliorer les propriétés des dépôts en vue d’une des applications cibles du ZnO, les dispositifs photoluminescents. Pour ce faire, une étude paramétrique a été réalisée au cours de laquelle l’influence des paramètres laser (durée de l’irradiation, intensité) et des paramètres de la solution (précurseur, additifs, concentration) sur la morphologie et la cristallinité a été étudiée. La microscopie électronique par balayage (MEB) et la diffraction des rayons X (DRX) (figure 2A) ont permis de déterminer qu’une augmentation de l’intensité laser et du temps d’irradiation augmentait la taille des nanostructures et la cristallinité des dépôts. La microscopie électronique en transmission (MET) a montré que les nanotiges croissaient selon l’axe c du réseau cristallin, à la pointe de cristaux de ZnO orientés aléatoirement formant une couche de base sur le substrat. En outre, l’augmentation de la concentration en composé précurseur occasionne un accroissement de l’épaisseur de la couche de base et l’introduction d’additifs tels que l’eau dans la solution favorise la croissance de nanotiges plus longues et mieux alignées verticalement. La spectroscopie Raman et de photoluminescence (PL) ont aussi montré que les nanostructures étaient de haute qualité et présentaient peu de défauts cristallins. Les études de spectroscopie PL ont notamment démontré que les dépôts nanostructurés de ZnO produits par le procédé laser sont de bons candidats pour les applications d’émission dans l’ultraviolet avec la présence d’un unique pic d’émission à 390 nm (figure 2B). La caractérisation généralisée des échantillons a aussi permis l’élaboration d’un modèle de croissance pour les nanostructures de ZnO, inspiré des modèles de germination et de croissance utilisés en synthèse chimique en milieu liquide.

Figure

Figure 2 : Microstructure des échantillons A)DRX, B)PL

Ce projet donna donc lieu au développement d’une technique permettant la synthèse de nanostructures de ZnO de haute qualité en quelques secondes alors que les techniques traditionnelles de synthèse chimique ont besoin de plusieurs heures pour arriver aux mêmes résultats. Suite à des améliorations apportées à la sélectivité et à la reproductibilité, cette technique très prometteuse pourra être perfectionnée dans le but de produire efficacement des nanodispositifs tels que des diodes électroluminescentes ou des nanolasers émettant dans l’UV. Trois articles scientifiques ont aussi été écrits dans le cadre de ce projet :

[1] Fauteux, C., Smirani, R., Pegna, J., El Khakani, M. A., Therriault, D., Fast synthesis of ZnO nanostructures by laser-induced chemical liquid deposition, Applied Surface Science, vol. 225, 2009, pp 5359-5362;

[2] Fauteux, C., El Khakani, M. A. , Pegna, J., Therriault, D., Influence of solution parameters for the fast growth of ZnO nanostructures by laser-induced chemical liquid deposition, Applied physics A: Materials Science and Processing, vol.94, 2009, pp. 819-829;

[3] Fauteux, C., Longtin, R, Pegna, J., Therriault, D., Fast Synthesis of ZnO Nanostructures by Laser-Induced Decomposition of Zinc Acetylacetonate, Inorganic Chemistry, v. 46, 2007, pp. 11036-11047;

Auteur: Christian Fauteux

1 Comment to “Nanostructures de ZnO”

  • Mark Spizer dimanche 2 mai 2010 à 05:38

    great post as usual!

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