Vers l'Elaboration de Pistes Magnétiques Enregistrables : De la Molécule au Matériau

Toward the Elaboration of Recordable Magnetic Track : From Molecule to Material

• Auteur / Autrice : Virgile Trannoy
• Direction : Anne Bleuzen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Nita Dragoë
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Bleuzen, Valérie Briois, Thierry Gacoin, Sébastien Pillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Souad Ammar, Franck Launay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages

Oxydes

Traitement thermique

Matériaux hybrides

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Analogues du bleu de Prusse

Oxydes

Alliages

Sol-Gel

Traitement thermique

Oxyde mésostructuré

Prussian blue analogues

Oxides

Alloys

Sol-Gel

Thermal treatment

Mesoporous oxide

Résumé

Les progrès fulgurants de l'informatique poussent au développement de dispositifs plus petits et plus puissants, impliquant la conception de matériaux continuellement plus complexes à l’échelle nanoscopique. Notre objectif est de développer, par une approche purement bottom-up, des nanoparticules magnétiques présentant de fortes anisotropies magnétiques (oxydes ou alliages) et localisées dans des nanoperforations bien organisées d'un film mince d’oxyde non magnétique. Notre approche originale pour synthétiser ces nanoparticules magnétiques comprend trois étapes: i) l’élaboration d’une matrice solide nanostructurée par chimie sol-gel en présence d’agents structurants, ii) la formation d’analogues du bleu de Prusse (ABP) dans la nanostructuration de ces matrices et iii) leur traitement thermique sous atmosphère contrôlée. Deux types de matrices solides nanostructurées ont été étudiées : les films minces de TiO2 nanoperforés, permettant d’organiser les particules sur une surface, et les monolithes de silice mésoporeux, permettant l’étude de la transformation des particules d’ABP en oxyde et alliage sur des quantités de matière plus importante que celle contenue dans les films nanoperforés. Les ABPs ont été choisis comme précurseurs pour la formation de ces particules magnétiques en raison de leur composition chimique et de leur structure particulièrement bien définies. En modulant la chimie très versatile des ABPs combinée à une parfaite maîtrise de leur stœchiométrie à l'échelle atomique, il devrait être possible de réguler finement la composition chimique, la structure et donc les propriétés magnétiques des alliages et des oxydes.Une méthode originale, mise au point au laboratoire, permet de confiner des particules d’ABPs à l’intérieur de monolithes de silice mésoporeux pour former des nanocomposites ABP/SiO2. Le traitement thermique de ces nanocomposites sous atmosphère contrôlée a été étudié de façon à obtenir des nanocomposites Oxyde/SiO2 et Métal/SiO2 présentant une mésoporosité parfaitement préservée ainsi que des nanoparticules bien confinées dans la porosité.La formation d’ABP dans les nanoperforations d’un film mince de TiO2 est réalisée grâce à l'immersion successive de ce film dans des solutions de précurseurs de l’ABP. Une étude systématique de chaque étape de la synthèse a permis d’aboutir à la formation de particules d’ABP à l’intérieur de chaque nanoperforation du film mince. Enfin, le traitement thermique sous atmosphère contrôlée a conduit à la transformation des particules d’ABPs en oxydes mixtes ou en alliages dans ces nanoperforations.

Remarkable progress in information technology has led to the development of smaller and more powerful systems. This effort requires the design of new materials which are more complex at the atomic scale. Our goal is to develop magnetic nanoparticles confined into the well-organized nanocraters of non-magnetic thin films that should present a strong magnetic anisotropy (as oxides or alloys). In order to synthesize these magnetic nanoparticles, our original bottom-up approach involves three steps : i) elaboration of a solid nanostructured matrix via sol-gel chemistry in the presence of structuring agents, ii) formation of Prussian Blue Analogues (PBA) in the pores of this matrix and iii) thermal treatment under a controlled atmosphere. Two types of nanostructured matrices have been investigated : nanoperforated TiO2 thin films, in order to organize particles on a surface, and mesoporous silica monoliths, which allow to study the transformation of a larger amount of PBA nanoparticles into oxide or alloy than in the case of thin films. PBAs were chosen as precursors for the formation of magnetic particles because of their well-defined chemical composition and structure. PBA chemistry is versatile and the stoichiometry and structure of the resulting coordination polymer can be perfectly controlled at the atomic scale. Controlling PBA chemistry should thus enable us to finely tune the chemical composition and structure of the corresponding alloys and oxides and hence their magnetic properties.An original method, developed in our laboratory, results in well-confined PBA particles within the organized porosity of a mesoporous silica monoliths to form PBA/SiO2 nanocomposites. The thermal treatment of these nanocomposites under different controlled atmospheres was then investigated in order to get Oxide/SiO2 and Metal/SiO2 nanocomposites with a perfectly preserved mesoporosity and well-confined nanoparticles with controlled chemical composition, size and shape.The PBA formation inside the nanocraters of a TiO2 thin film is performed by successive immersions of the film in the PBA precursor solutions. A systematic study of each step of the synthesis leads to the formation of PBA particles within each nanoperforation in the thin film. Finally, the thermal treatment under different controlled atmospheres enabled the transformation of PBA particles into oxides or alloys inside the nanoperforations.