Electrodépôt de ZnO nanostructuré sur électrodes de diamant dopé bore

Electrodeposition of nanostructured ZnO on boron doped diamond electrodes

• Auteur / Autrice : Pierrick Gautier
• Direction : Nathalie Simon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/12/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lavoisier de Versailles - Institut Lavoisier de Versailles / ILV
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Galtier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armelle Ringuedé, Hugues Girard, Anne-Marie Goncalves
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Peulon, Stéphane Daniele

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de zinc

Diamant

Procédés chimiques

Électrochimie

Matériaux nanostructurés

Mots clés libres

ZnO

Electrodépot

Diamant dopé bore

ZnO

Electrodeposition

Boron doped diamond

Résumé

Le dépôt de ZnO sur diamant est actuellement assuré par des méthodes physiques (ALD, sputtering, CVD) coûteuses et complexes à mettre en oeuvre. La réalisation de ces dépôts de ZnO peut également être effectuée via des procédés plus doux tels que le procédé électrochimique qui représente une alternative intéressante car peu coûteux, et facile à mettre en oeuvre. L’électrodépôt de ZnO a été très largement étudié sur divers substrats, notamment pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. Toutefois, seule une étude a été réalisée concernant l’électrodépôt de ZnO sur diamant alors que de nombreuses applications découlent de telles structures : dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW), photo-détecteurs UV ou bien biocapteurs. L’objectif de la thèse réside ainsi dans l’étude de l’électrodépôt de ZnO sur substrat diamant dopé bore en se basant sur le procédé mis en évidence par le groupe de Lincot dans les années 1990. Cette technique consiste à réduire, en présence d’ions Zn2+, l’oxygène dissous pour former des hydroxydes et a fortiori ZnO par réaction des hydroxydes et des ions Zn2+.Le diamant étant un substrat complexe en raison notamment de son grand gap (5,4 eV), un important dopage est nécessaire pour pouvoir l’étudier dans le domaine de l’électrochimie. Dans un premier temps, les conditions d’électrodépôt de ZnO sur diamant (température, potentiel électrique) ont été déterminées avant d’envisager l’étude de l’influence de divers paramètres expérimentaux. Par la suite, l’influence de la composition du bain a été étudiée puisque les concentrations et la nature des précurseurs de zinc et de l’électrolyte support ont été étudiées, permettant de former toute une variété de structures de ZnO sur diamant. Enfin, la dernière partie de la thèse s’est focalisé sur l’influence de la chimie de surface du diamant sur la morphologie, la structure et l’adhérence des dépôts de ZnO formés. L’état de surface initialement hydrogéné du diamant a été modifié en utilisant des traitements électrochimiques conduisant à la formation de groupements oxydés.

Currently, ZnO deposition on diamond is obtained by physicals methods (ALD, sputtering, CVD) which are expensive and difficult to implement. The realization of these ZnO deposits can also be made by softer methods such as electrodeposition which represents an interesting alternative because of its low cost. ZnO electrodeposition has been already studied on several substrates especially for photovoltaic devices. However, only one study has been realized concerning ZnO electrodeposition on diamond while many applications derived from these structures: surface acoustic wave sensors, UV photodetectors, and biosensors. The aim of this work is the study of ZnO electrodeposition on boron doped diamond by following the process highlighted by Lincot et al in 1990s. This process is based on the oxygen reduction reaction leading to the formation of hydroxides which react with Zn2+ cations to form ZnO. Diamond is a complex substrate which presents a large gap of 5.4 eV requiring an important doping to allow its use in electrochemistry. At first, ZnO electrodeposition conditions (temperature, electrical potential) have been determined. The influence of deposition bath has then been studied by varying nature and concentrations on zinc precursor and electrolyte support. Results indicate the possibility to obtain different ZnO/diamond structures by varying theses parameters. Finally, the influence of the surface termination of diamond on ZnO structures, shape and adherence has been investigated by modifying the H-terminated surface on O-terminated surface by using electrochemical treatments.