Synthèse de nanostructures d’oxyde de ruthénium par plasma micro-ondes en post-décharge à la pression atmosphérique

Synthesis of ruthenium oxide nanostructures by atmospheric pressure microwaves afterglow

• Auteur / Autrice : Duclair Kuete Saa
• Direction : Thierry Belmonte, Thomas Gries, Samuel Laminsi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 08/06/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université de Yaoundé I
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Pierson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Péguy Nanseu-Njiki, Daniel Njopwouo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angélique Bousquet, Patrice Raynaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Nanofils

Plasmas microondes

Ruthénium -- Composés

Mots clés libres

Dioxyde de ruthénium

Micro-Post-Décharge micro-Ondes

Nanofils

Ruthenium dioxide

Microwave micro-Afterglow

Nanowires

Résumé

Diverses nanostructures de dioxyde de ruthénium ont été synthétisées par oxydation locale du ruthénium massif et de films minces de ruthénium au moyen de plasmas micro-ondes Ar-O2 en post-décharge à la pression atmosphérique. Ces revêtements ont été déposés préalablement par pulvérisation magnétron. Une étude approfondie a été réalisée pour déterminer l’évolution radiale de la température de surface qui évolue typiquement entre 530 K et 900 K. L’utilisation d’un plasma permet un abaissement de la température d’oxydation par rapport à des conditions thermiques dans la mesure où l’oxygène moléculaire est excité ou dissocié, ce qui fournit des espèces plus réactives comme l’oxygène singulet ou l’oxygène atomique. Suivant le substrat utilisé et les conditions opératoires, des structures en lamelles distantes de 20-50 nm, des micro-oursins localisés, des nanofils longs et denses et des microcristaux peuvent être formés. Les nanostructures obtenues ont été caractérisées par différentes techniques (microscopies électroniques, diffraction des rayons X ou spectrométrie de masse des ions secondaires). Les analyses MET ne révèlent pas d’orientation privilégiée des nanofils qui sont généralement monocristallins. Des mécanismes de croissance des nanostructures très différents ont été observés et identifiés. S’il apparaît qu’il est impossible sur substrat massif de ruthénium d’obtenir des nanostructures uniformément réparties, il en va autrement avec des substrats recouverts d’une couche mince de ruthénium qui permettent de former de véritables tapis de nanofils. La possibilité de localiser la croissance des nanofils par ajout de sels alcalins a été étudiée

Various ruthenium dioxide nanostructures were locally grown by the oxidation with an atmospheric pressure Ar-O2 microwave micro-afterglow of bulk ruthenium samples or thin films previously deposited by magnetron sputtering on silicon and silica. A special attention was paid to the distribution of the surface temperature of the sample which evolves typically between 530 K and 900 K. The use of plasma discharges allows a lowering of the temperature compared with the thermal oxidation conditions, given that molecular oxygen is excited or dissociated, which provides more reactive species such as singlet oxygen or atomic oxygen. According to the substrate used and the operating conditions, different nanostructures can be formed: lamellae separated by 20–50 nm, localized nano-sea urchins, high density of long nanowires and microcrystals. Nanostructures obtained were characterized by various techniques (electron microscopy, X-ray diffraction or secondary ion mass spectrometry). The grown RuO2 nanowires were determined to be generally single-crystalline with random crystallographic orientations. Very different growth mechanisms were observed and identified. Although it seems impossible to obtain uniformly distributed nanostructures on bulk ruthenium substrates, it is possible from substrates coated by a thin layer of ruthenium, which allows the formation of nanowire carpet. The possibility to localize the growth of nanowires by adding alkali salts has been studied. However, if the use of NaCl or KCl crystals locally enhances the nanowire density, they do not ensure systematically the growth of nanowires