Hybridation des technologies de jets de nanoparticules et de PVD pour la réalisation d’architectures nanocomposites fonctionnelles

par Youri Rousseau

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Nathalie Herlin-Boime.

Le président du jury était Jean-Pascal Borra.

Le jury était composé de Nathalie Herlin-Boime, Jean-Pascal Borra, Alain Billard, François-Xavier Ouf, Xavier Portier, Amaël Caillard.

Les rapporteurs étaient Alain Billard, François-Xavier Ouf.


  • Résumé

    Les films nanocomposites sont des revêtements composés de nanoparticules enrobées dans une matrice solide d’un matériau différent. L’intérêt de ces matériaux réside dans leur capacité à exploiter les caractéristiques inédites des nano-objets qu’ils contiennent tout en bénéficiant des propriétés de résistance mécanique et chimique de la matrice. Ces composites disposent de propriétés très prometteuses pour un grand nombre d’applications comme le photovoltaïque ou la photocatalyse. Plusieurs procédés de synthèse existants permettent de produire des matériaux nanocomposites par des méthodes physiques ou chimiques (co-pulvérisation, sol-gel,…). Cependant, aucun n’est assez flexible pour envisager la synthèse d’une large gamme de nanocomposites par le même procédé. Ceci est un frein au développement à l’échelle industrielle de ce type de matériaux. Le premier objectif de la thèse est de développer un procédé original de synthèse de films nanocomposites. Ce procédé présente un caractère universel en ce qu’il permet un choix a priori illimité dans la nature des nanoparticules et celle de la matrice. Le procédé développé combine un jet de nanoparticules sous vide formé par une lentille aérodynamique à un dispositif de pulvérisation magnétron qui permet de déposer la matrice. Le jet de nanoparticules permet de coupler toute source de nanoparticules à la pulvérisation. Les nanoparticules peuvent être soit synthétisées in situ en phase gazeuse, soit synthétisées préalablement en voie liquide. Une grande variété de nanoparticules peut donc être utilisée. La pulvérisation magnétron permet par ailleurs de disposer d’une très large gamme de matériaux pour la matrice (métaux, céramique, polymère). Dans le cadre de cette thèse, deux types de sources de nanoparticules ont été utilisés. Le premier est un réacteur de pyrolyse laser et le second un générateur d’aérosol. Le réacteur de pyrolyse laser permet une synthèse in-situ des nanoparticules en phase gazeuse alors que le générateur d’aérosol permet d’utiliser une suspension de nanoparticules préalablement synthétisées. Afin d’éprouver la robustesse du procédé de co-dépôt, deux types de matériaux nanocomposites ont été développés. Le premier matériau étudié est composé de nanoparticules d’or sphériques de 35 nm de diamètre, synthétisées préalablement par voix liquide, dans une matrice de silice. Le but ici est de bénéficier des propriétés optiques uniques des nanoparticules d’or dans un film résistant mécaniquement et chimiquement. Les caractérisations réalisées sur ces matériaux ont permis d’optimiser la concentration en nanoparticules d’or dans les films de manière à garder des propriétés mécaniques et chimiques compatibles avec les applications tout en gardant des propriétés optiques satisfaisantes. Le second type de matériaux étudiés est composé de nanoparticules semi-conductrices synthétisées in situ par pyrolyse laser et d’une matrice métallique. La synthèse de ce matériau permet de démontrer la flexibilité du procédé de co-dépôt à synthétiser une large gamme de films nanocomposites. Enfin, la robustesse du procédé ayant été démontrée, la conception d’un pilote industriel a été entreprise. Le but final étant de disposer d’une machine répondant aux exigences industrielles dans l’optique d’un transfert technologique.

  • Titre traduit

    Hybridizing the nanoparticles Jet and PVD technologies for producing functional nanocomposite architectures


  • Résumé

    The nanocomposite films are coatings of nanoparticles embedded in a solid matrix of a different material. The advantage of these materials is their ability to exploit the unique properties of nano-objects while benefiting of the mechanical and chemical resistance properties of the matrix. These composites have very promising properties for many applications such as photovoltaics and photocatalysis. Several existing synthetic methods can produce nanocomposite materials by physical or chemical methods (co-sputtering, sol-gel, ...). However, none is flexible enough to consider the synthesis of a wide range of nanocomposites by the same method. This is an obstacle to the development on an industrial scale of this type of material. The first objective of the thesis is to develop an original synthesis process of nanocomposite films. This method is universal in which it presents no limit in the choice of nanoparticles and matrix. The developed method combines vacuum nanoparticle jets formed by an aerodynamic lens with a magnetron sputtering device for depositing the matrix. The nanoparticle jets can be coupled with any source of nanoparticles. Nanoparticles may be synthesized in situ in the gas phase or beforehand solution synthesis. A wide variety of nanoparticles can be used. Magnetron sputtering also enables to have a very wide range of materials for the matrix (metal, ceramic, polymer). During this thesis, two types of nanoparticles sources were used. The first one is a laser pyrolysis reactor and the second is an aerosol generator. The laser pyrolysis reactor enables in-situ gas phase synthesis of the nanoparticles while the aerosol generator use a suspension of previously synthesized nanoparticles. To test the robustness of the co-deposition process, two types of nanocomposite materials have been developed. The first material is composed of 35 nm spherical gold nanoparticles, chemically synthesized, in a silica matrix. The goal here is to benefit from the unique optical properties of gold nanoparticles in a film mechanically and chemically resistant. The characterizations carried out on these materials have optimized the gold nanoparticle concentration in the films to keep the mechanical and chemical properties compatible with applications while maintaining satisfactory optical properties. The second type of materials studied is composed of semiconductor nanoparticles in situ synthesized by laser pyrolysis and a metal matrix. The synthesis of this material demonstrates the flexibility of the co-deposition method to synthesize a wide variety of nanocomposite films. Finally, the design of an industrial pilot was undertaken. The final goal is to have a pilot-scale setup that meets industry requirements in the context of a technology transfer.



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