Synthèse par voie hydrothermale et caractérisation des micro/nanostructures d’Oxyde de Zinc

Synthesis and characterization of micro / nanostructures of ZnO obtained by hydrothermal method

• Auteur / Autrice : Widad Bekhti
• Direction : Jean-Jacques Counioux, Mostefa Ghamnia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 02/02/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Université Oran 1 (Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Kouider Driss Khodja
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelbasset Khelil, Christelle Goutaudier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Bourson, Lakhder Guerbous, Bérangère Toury-Pierre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cations

Spectroscopie Raman

Synthèse hydrothermale

Oxyde de zinc

Mots clés libres

Micro / nanorods de ZnO

Synthèse hydrothermal

Hydrolyse des cations

Adsorption des cations

Auto-assemblage orienté

Diagrammes Williamson-Hall

Spectroscopie Raman

Micro / nanorods of ZnO

Hydrothermal synthesis

Cations hydrolysis

Cation adsorption

Directed self-assembly

Williamson-Hall diagrams

Raman spectroscopy

Résumé

L'oxyde de zinc (ZnO) est un matériau semi-conducteur qui présente des caractéristiques très intéressantes telles que : un gap directe à 3.3 eV à température ambiante, une forte énergie excitonique (60 meV à température ambiante) associé à un caractère piézoélectrique. Ces propriétés permettent de considérer le ZnO parmi les nanomatériaux prometteurs, dans une grande variété d'applications : dans le domaine de l'optoélectronique, de l'énergie photovoltaïque ou de l'environnement. Pour que ces dispositifs deviennent exploitables à l'échelle industrielle, certaines conditions doivent être satisfaites comme le contrôle de la taille des nanostructures ainsi que de leur forme, l'impact de la technique de synthèse sur l'environnement, l'économie de l'énergie utilisée dans la production du matériau. C'est dans ce cadre que nous nous sommes intéressés à l'étude de la croissance des micro / nanostructures de ZnO, en particulier à une dimension (1D). Nos échantillons sont obtenus par la synthèse hydrothermale. Cette méthode nous a permis de réaliser des nanostructures de ZnO de très bonnes qualités cristallines sous pression contrôlée (inférieur ou égal à 15 bar) et à basse température (inférieur à 250 °). Ces conditions de préparation ont l'avantage de limiter la consommation en énergie. D'autre part, nous avons utilisé l'eau comme solvant dans la préparation des solutions, ce qui présente un effet positif pour l'environnement (démarche d'éco-conception ou « green chemistry »). Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié l'influence d'un ensemble de paramètres expérimentaux tels que : le temps, la quantité de base, la température… sur la croissance de nanorods afin de déterminer les conditions optimales pour l'obtention de nanorods homogènes, plus denses et avec une faible distribution de tailles. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l'étude de l'influence induite par les cations présents dans les solutions suite à l'hydrolyse des bases sur la morphologie des micro / nanostructures de ZnO. Enfin, les échantillons obtenus ont fait l'objet d'une caractérisation à la fois structurale et morphologique afin d'exploiter au mieux la richesse des géométries et les tailles des micro / nanocristaux élaborés

Zinc oxide (ZnO) is a material that belongs to the family of transparent conducting oxides (TCO) materials. Because of its important physical and chemical properties, ZnO is widely studied since the elaboration to application. It is considered as semiconductor material which has very interesting features such as a direct gap 3.37 eV at room temperature, a strong exciton energy (60 meV at room temperature) assigned to a character piezoelectric. ZnO thin films are elaborated using different techniques including physical and chemical methods. For our part, we are interested in studying the growth of micro / nanostructures of ZnO, especially one-dimensional (1D) using hydrothermal synthesis. This method allowed us to achieve ZnO nanostructures with very good crystalline qualities under controlled pressure (< 15 bar) and low temperature (<250 ° C). These preparation conditions have the advantage to limit the energy consumption. On the other hand, we have used water as solvent in the preparation of solutions which has a positive effect on the environment (eco-design or “green chemistry”). In the first part of this work, we have studied the influence of some experimental parameters such as time, the amount of base, temperature… on the growth of nanorods in order to determine the optimal conditions of the growth of the nanorods forms and their distributions. In the second part, we are interested to study the influence of the cations present in the solution on the morphology of the micro / nanostructures of ZnO. Finally, the obtained samples were characterized by XRD and SEM for the structure and the morphology and by Raman for optical properties. The different analysis of the results obtained from different techniques show a good compromise