Nanoscale in situ studies of Au and Au-Cu Nanoparticle synthesis by liquid cell transmission electron microscopy

par Nabeel Ahmad

Thèse de doctorat en Physique. Matière condensée

Sous la direction de Christian Ricolleau.

Soutenue le 23-11-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris) (laboratoire) et de Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Jean-Yves Piquemal.

Le jury était composé de Christian Ricolleau, Suzanne Giorgio, Kristian Molhave, Fabienne Testard.

Les rapporteurs étaient Suzanne Giorgio, Kristian Molhave.

  • Titre traduit

    Etude à échelle nanométrique par microscope in situ en cellule liquide de la croissance de nanoparticules d’or et de Au-Cu


  • Résumé

    La fabrication de nano-cristaux métalliques suscite un effort de recherche en constante augmentation depuis plusieurs années. Cet immense intérêt est motivé par les propriétés uniques et fascinantes qui apparaissent à l’échelle des tailles nanométriques. En effet, le confinement des électrons au sein d’un nanocristal est un moyen puissant de moduler les propriétés électroniques, optiques et magnétiques d’un matériau. Les synthèses par voies chimiques sont des stratégies très rependues pour fabriquer des nanoparticules métalliques avec des morphologies originales en exploitant la versatilité des milieux réactionnels liquides pour contrôler les mécanismes de formation. Cependant, si la chimie employée lors de ces synthèses n’est pas très compliquée, la compréhension des processus de nucléation/croissance en milieu liquide complexe et l’influence de chaque espèce chimique est un tout autre challenge. Pour y répondre, nous avons utilisé la microscopie électronique en transmission en milieu liquide pour visualiser des phénomènes de croissance à l’échelle nanométrique. Cette récente technique de microscopie in situ nous a permis d’étudier en temps réel la dynamique de croissance de nanoparticules d’or et d’or-cuivre dans des milieux réactionnels de composition contrôlée. Le premier objectif de cette thèse était de distinguer les effets cinétiques (liés aux flux de matière) et les effets thermodynamiques (liés à l’équilibre des nanostructures en fonction de leur environnement) qui dictent tous les deux la forme finale des nanoparticules. De plus, des études systématiques nous ont permis de séparer les inévitables effets du faisceau d’électron, des effets de paramètres spécifiques de la synthèse, comme la forme des germes ou la fonctionnalisation organique, qui sont de toute première importance en chimie des colloïdes. Enfin, des phénomènes induits par le faisceau ont aussi été exploité pour comprendre l’influence de l’irradiation sur la chimie du milieu réactionnel, qui peut induire des réactions d’oxydo-réductions réversibles et contrôlables dans les nano-systèmes bimétalliques.


  • Résumé

    Recent years have seen a remarkable increase in research activities related to the synthesis of metallic nanocrystals. This intense interest is fueled by the unique and fascinating properties delivered at such size domains. Indeed, electrons confinement by nanocrystals is a powerful means to modulate electronic, optical and magnetic properties of a material. Most current strategies employ chemical synthesis to formulate unique nanoparticle morphologies by exploiting the versatility of liquid reaction media to control the formation mechanisms. Although the chemistry of metal nanocrystal synthesis is not complicated, understanding the nucleation and growth processes in complex liquid media and the influence of each chemical species is altogether a different challenge. It is in this regard, that we have utilized liquid cell transmission electron microscopy to visualize relevant growth phenomenon at the nanoscale. This recent in situ technique allowed us to study in real time the dynamics of growth of Au and Au-Cu nanoparticles in reaction media of controlled composition. The primary goal of this thesis was to distinguish the kinetics effects (related to the flow of matter) and the thermodynamics effects (related to the environment-dependent equilibrium of nanostructures) on final nanoparticle shapes. In addition to this, systematic studies were performed to separate the inevitable beam effects from the influence of specific synthesis parameters such as the seed crystal morphology and the organic functionalization that are of primary importance for colloidal chemists. Beam induced phenomena were also utilized to understand the solution chemistry of the exposed solvent which is in turn responsible for driving reversible redox reactions in bimetallic nano-systems.


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