Ablation laser impulsionnelle : source de nanoparticules en vol et de films minces : Développement de matériaux nanostructurés à base d'argent, de vanadium et de dioxyde de vanadium

par Michael Gaudin

Thèse de doctorat en Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Sous la direction de Corinne Champeaux et de Frédéric Dumas-Bouchiat.

Le président du jury était Agnès Granier.

Le jury était composé de Agnès Granier, Florence Garrelie, Aline Rougier, Damien Le Roy, Pascal Tristant.

Les rapporteurs étaient Florence Garrelie, Aline Rougier.


  • Résumé

    Ces travaux de thèse portent sur le développement d’un dispositif de synthèse de nanoparticules (NPs) par une voie physique basée sur la pulvérisation laser d’une cible suivie d’une trempe du panache plasma ainsi formé. L’association de cette source à une enceinte d’ablation laser conventionnelle a permis de synthétiser des NPs d’argent et de vanadium empilées sur des substrats ou noyées dans des matrices synthétisées par ablation laser. Des analyses par microscopie électronique en transmission (MET) et microscope à force atomique (AFM) ont révélé des NPs cristallisées en vol, de forme sphérique et de tailles relativement monodisperses (~ 3 nm de diamètre) fonction de leur temps de séjour dans la cavité de nucléation. La réalisation de nanocomposites Al2O3 amorphe dopée par des NPs d’argent métallique de différentes tailles a montré l’influence de la taille de ces entités nanométriques sur la position et la largeur de la résonance plasmon de surface (RPS) du matériau nanostructuré. Les NPs gardent leur forme originelle après impact sur le substrat ce qui conduit à des empilements de nanoparticules fortement poreux (de l’ordre de 50%). Des NPs de dioxyde de vanadium ont pu être synthétisées par recuit d’empilements de NPs de vanadium. Du fait de leur individualité, les NPs de VO2 présentent une température de transition plus faible (~50°C) et une largeur d’hystérésis plus importante (~10-30°C) qu’un film mince (température de transition d’environ 68°C et largeur d’hystérésis d’environ 3°C). En associant un film mince synthétisé par PLD à un empilement de NPs il est alors possible de combiner leurs propriétés et d’obtenir un matériau nanocomposite présentant une transition par palier.

  • Titre traduit

    Pulsed laser ablation : a source of in-flight nanoparticles and thin films : Development of nanostructured composites made of silver, vanadium, and vanadium dioxide


  • Résumé

    The work presented in this thesis is focused on the development of an experimental setup for the synthesis of nanoparticles (NPs) by a physical route, based on the laser vaporization of a target and followed by the rapid quenching of the plasma plume. Combining such a NP source with conventional laser ablation makes possible to synthesize silver and vanadium NPs in stacks on substrates or embedded in different matrices synthesized by laser ablation. Transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM) analysis revealed crystallized spherical NPs relatively monodisperse in size (~ 3 nm in diameter) depending on the residence time in the nucleation cavity. The synthesis of amorphous Al2O3 nanocomposites doped with metallic silver NPs of different sizes showed the influence of the size on the position and the width of the surface plasmon resonance (SPR) of the nanostructured material. The NPs keep their original shape during impact on the substrate, leading to highly porous NPs stacks (approximately 50%). Vanadium dioxide nanoparticles (VO2 NPs) have been synthesized by annealing vanadium NPs stacks. Due to their individual behaviour, VO2NPs exhibit lower transition temperature (~ 50°C) and larger hysteresis width (~ 10-30°C) than thin films (transition temperature around 68°C and hysteresis width around 3°C). By coupling a PLD thin film and a NPs stack, it is possible to combine their properties and obtain a nanostructured material having a step transition.


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