CONTRAT DOCTORAL - Nanocomposites zéolithe/nanofils élaborés sous haute pression

par Yixuan Zhao

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Julien Haines et de Romain Viennois.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de C2M - Chimie et Cristallochimie des Matériaux (equipe de recherche) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le nanoconfinement dans les solides poreux comme les aluminosilicates de type zéolithe permet de fortement modifier la stabilité et propriétés physiques des matériaux. Les zéolites sont des matériaux naturels ou synthétiques, dont la charpente résulte de l'assemblage tridimensionnel de tétraèdres AlO4 et SiO4 reliés par leurs sommets. Cet assemblage ordonné dans l'espace conduit à un système constitué de pores et de canaux dont les dimensions permettent la pénétration de certains atomes ou molécules. Ceci confère aux zéolites des propriétés de tamis moléculaires, d'échangeurs d'ions ou encore de catalyseurs. Le but de la thèse est d'utiliser la haute pression pour élaborer des nanocomposites en insérant des atomes métalliques dans les pores sous-nanométriques des zéolithes pour former des nanofils isolés. Ces nanofils devraient présenter des propriétés originales reliées aux singularités de van Hove dans la densité d'états dues au confinement quantique induit par leur nature unidimensionnelle. Cela pourrait se traduire par une amplification du pouvoir thermoélectrique dans un semimétal tel que le bismuth et dans des semiconducteurs dérivés du bismuth. Dans ces derniers, des transitions optiques supplémentaires pourraient être obtenues dans des domaines d'intérêt technologiques tels que le domaine THz. En raison de la faible conductivité thermique de la zéolite, les performances thermoélectriques d'un nanocomposite à base de zéolite et de bismuth ou de ses alliages pourraient être significativement améliorées. Il serait aussi intéressant d'étudier comment évolue un état supraconducteur dans de tels nanofils comme habituellement l'état supraconducteur disparait lorsque le diamètre des nanofils devient inférieur à la longueur de cohérence supraconductrice. Cependant, il n'est pas exclu que l'état supraconducteur puisse survivre dans de tels composites en raison d'un couplage inter-fils ou/et grâce au couplage spin-orbite élevé dans ces composés. Dans le cadre de la thèse, des zéolithes seront synthétisées par voie sol-gel suivie d'un traitement hydrothermal. Des alliages métalliques homogènes et à faible point de fusion seront aussi préparés par voie métallurgique standard. Ces alliages métalliques seront d'abord insérés dans les zéolithes en cellule à enclumes de diamants de petit volume puis dans des appareils de plus gros volume comme les piston-cylindres. Les structures des nanocomposites et plus particulièrement l'influence conjuguée du confinement et de la haute pression sur la structure des matériaux intercalés seront déterminées par diffraction des rayons X au laboratoire et au synchrotron. Les différentes propriétés physiques, électriques, optiques et magnétiques seront ensuite caractérisées avec des techniques telles que le transport électrique et thermique, l'effet Seebeck ou la magnétométrie SQUID.

  • Titre traduit

    CONTRAT DOCTORAL - Nanocomposites zeolite / nanowires produced under high pressure


  • Résumé

    Nanoconfinement in porous solids, such as zeolite-type aluminosilicaltes, strongly modifies the stability and physical properties of materials. Zeolites are natural or synthetic materials with a framework built up of a three dimensional arrangement of corner-sharing AlO4 or SiO4 tetrahedra. The zeolite framework is characterized by a system of pores in which atoms or molecules can enter giving rise to applications as molecular sieves, ion exchanges and catalyzers. The objective of this thesis project is to use high pressure to prepare nanocomposites by inserting metal atoms in the subnanometric pores of zeolites to form isolated nanowires. These nanowires should exhibit novel properties linked to van Hove singularities in the electronic density of states due to quantum confinement arising from their one-dimensional character. This could give rise to a strong increase in the thermoelectric power of a semimetal such as bismuth and semiconductors derived from bismuth. In the latter, additional optical transitions in frequency ranges of technological interest such as the THz may be observed. Due to the low thermal conductivity of the zeolite, the thermoelectric performance of a bismuth or bismuth alloy based nanocomposite could be particularly interesting. It will also be important to investigate how a superconducting state in the nanowires evolves as normally superconductor behavior disappears when the diameter of the nanowire is less than the coherence length for superconductivity. It is not excluded; however, that the superconducting state could survive due to interwire coupling and/or the high spin-orbit coupling in these compounds. In the thesis project, zeolites will be synthesized by sol-gel techniques followed by hydrothermal crystallization. Homogeneous low-melting point metal alloys will be prepared by standard metallurgical techniques. These metal alloys will be first inserted in the zeolites using a diamond anvil cell and then in larger volume piston-cylinder devices. The structures of the nanocomposites and particularly the combined effects of confinement and high pressure on the inserted material will be determined by laboratory and synchrotron x-ray diffraction. The various physical, electrical, optical and magnetic properties will be investigated by techniques such as electrical and thermal transport, Seebeck effect and SQUID magnometry