Élaboration et caractérisation de revêtements submicroniques obtenus par électrodéposition de nanoparticules de silice.

par Aude Charlot

Thèse de doctorat en Chimie et Physicochimie des matériaux

Sous la direction de Xavier Deschanels.

Le président du jury était Corine Gerardin.

Le jury était composé de Xavier Deschanels, Corine Gerardin, Cécile Pagnoux, Mathieu Etienne, Eric Lafontaine, Guillaume Toquer.

Les rapporteurs étaient Cécile Pagnoux, Mathieu Etienne.


  • Résumé

    L'élaboration d'un revêtement submicronique est réalisée par électrodéposition de nanoparticules de silice (EPD = ElectrophoreticDeposition). Cette approche permet de contrôler l'épaisseur des dépôts, qui est un paramètre à ajuster pour élaborer un revêtement sélectif absorbeur de type capteur photothermique. La nature du revêtement recherché est un co-dépôt de silice et de carbone. Pour la compréhension et le contrôle des mécanismes de dépôt par EPD, le dépôt de silice seule est étudié. Deux systèmes ont été investigués : de la silice déposée sur du wafer de silicium ou sur du platine, notés respectivement SiO2/Si et SiO2/Pt. Une suspension colloïdale commerciale, le Ludox® HS-40, est utilisée pour permettre la dilution de sols stables de nanoparticules de silice monodisperses (12 nm de diamètre), chargées négativement. Un EPD anodique est réalisé en milieu aqueux grâce à ce sol.Le potentiel, la concentration initiale en nanoparticules et la durée de dépôt ont été explorés. Lorsque le potentiel appliqué est trop élevé, le phénomène d'électrolyse de l'eau est observé. Plus particulièrement, le système à base de platine se trouve limité par ce phénomène à partir d'un potentiel de +2V. La forte conductivité de ce substrat favorise le phénomène de dégagement gazeux. Ce bullage subséquent, dégrade la cohésion du revêtement. Néanmoins, l'application d'un potentiel inférieur au potentiel d'électrolyse de l'eau permet de bonnes conditions de dépôt. Des phénomènes similaires ont également été observés avec le système SiO2/Si. Les propriétés semi-conductrices du wafer de silicium permettent cependant d'appliquer des potentiels plus élevés (jusqu'à +40 V), en limitant le phénomène d'électrolyse. L'optimisation des conditions de dépôt sur ces deux systèmes ont permis d'obtenir des conditions expérimentales de dépôt compatibles avec l'objectif fixé, à savoir : un potentiel de +1 V pour le système SiO2/Pt et de +3 ou +30 V pour le système SiO2/Si, une concentration comprise entre 1 et 10 %mass, et une durée de dépôt de 1h.Dans les conditions optimales définies précédemment, les propriétés physico-chimiques de la suspension initiale ont été modifiées par l'ajout d'un co-solvant (EtOH), d'un sel (Na2SO4) ou d'un polymère (PAA out PVA) afin d'étudier l'influence du milieu dispersant, de la conductivité de la suspension ou du potentiel zêta des nanoparticules sur l'épaisseur des dépôts. Ces ajouts ont permis d'augmenter l'épaisseur des revêtements, notamment pour le système SiO2(EtOH)/Pt et les systèmes à base de PAA. L'ajout d'un composé carboné (PVA, PAA) dans la suspension a également été étudié afin d'obtenir après calcination (500°C) un revêtement présentant des caractéristiques intéressantes pour l'application envisagée. Les revêtements de type SiO2(PAA)/Pt présentent une certaine sélectivité optique. Toutefois les valeurs du ratio alpha/epsilon restent inférieures à 7, ce qui est plus faible que les valeurs obtenues pour le même type de système, avec des procédés sol-gel classiques.

  • Titre traduit

    Development and characterization of submicron coatings obtained by electrodeposition of silica nanoparticles.


  • Résumé

    The development of a submicron coating was carried out by electrophoretic deposition (EPD)of silica nanoparticles. This approach allows controlling the thickness of the deposits which is a parameter to adjust to develop a selective absorber coating dedicated to a photothermal sensor. The composition of the desired coating is a co-deposition of silica and carbon. For the understanding and the control of EPD deposition mechanisms, silica deposit is first studied. Two systems were investigated: silica deposited on a silicon wafer or platinum substrate, respectively noted SiO2/Si and SiO2/Pt. A commercial colloidal suspension, Ludox® HS-40, is used to realize stable diluted sols of monodispersed silica nanoparticles (12 nm diameter), negatively charged. Anodic EPD is performed in aqueous medium from this sol.The applied potential, the initial concentration of nanoparticles and the deposition time are investigated. When the applied potential is too high, the water electrolysis phenomenon occurs. More particularly, the platinum-based system is limited by this phenomenon, from a potential of +2 V. The high conductivity of this substrate promotes gassing phenomenon. This subsequent bubbling degrades the cohesion of the coating. However, an applied potential lower than the electrolysis potential gives some good deposition conditions. Similar phenomena were also observed with SiO2/Si system. However, the semiconductor properties of the silicon wafer enable to apply higher potential (up to +40 V) by reducing the phenomenon of electrolysis. Optimizations of the deposition conditions on these two systems have yielded experimental deposition conditions consistent with the objective, namely: a potential of +1 V to SiO2/Pt system and of +3 and +30 V for SiO2/Si system, a concentration between 1 and 10 %mass, and a deposition time of 1 hour.Under optimum conditions defined above, the physicochemical properties of the initial suspension are modified by adding a co-solvent (EtOH), a salt (Na2SO4) or a polymer (PAA or PVA) in order to study the influence of the dispersing medium, the conductivity of the suspension or the zeta potential of the nanoparticles on the thickness of the deposits. These additions have increased the thicknesses of coatings, especially for SiO2(EtOH)/Pt system and systems based on PAA. The addition of some carbon compounds (PVA or PAA) in the suspension was also studied to obtain after calcinations (500 °C) a coating with interesting characteristics for the intended application. Coating obtained with SiO2(PAA)/Pt system exhibit a significant optical selectivity. However, the value of the alpha/epsilon ratio remains below 7, which is lower than the values obtained for the same type of system with conventional sol-gel processes.


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