Yinping Wang, doctorante aux IMRCP, a soutenu sa thèse sur la croissance anisotrope de ZnO

Yinping a réalisé ses recherches entre l'équipe IDeAS du laboratoire des IMRCP et le LCC.

Le 27 juin dernier, elle a soutenu sa thèse intitulée : Les études de la croissance anisotrope de ZnO basée sur la méthode organométallique et l'étude cinétique d'une gélification simultanée.

Aujourd’hui, les nanosciences sont définies comme l’étude des structures (moléculaires) et dispositifs dont au moins une des dimensions caractéristiques se situe entre 1 et 100 nm. Ces nanomatériaux agissent comme des ponts entre les matériaux massifs et les structures atomiques et démontrent de nombreuses modifications dans les propriétés physiques, chimiques ou biologiques en raison de la réduction de la taille de ces structures. Les nanomatériaux composés d'oxydes métalliques constituent ce type de matériaux intéressants. Leurs caractéristiques sont très intéressantes pour le développement d'applications électroniques, optiques, de capteurs et autres.

Pour certains des oxydes métalliques, des défauts d’oxygène agissent comme donneurs d’électrons et confèrent des propriétés de semi-conducteurs de type n. ZnO en est un exemple typique. Ce matériau est caractérisé par une large bande interdite d’environ 3.4 eV, une interaction électron-trou de haute énergie (60 meV), une grande mobilité électronique et une luminescence dans le visible et le proche ultraviolet. Ces caractéristiques électroniques en font un bon candidat pour le développement de sources d’émission lumineuse et de détecteurs. Il a été ainsi montré que ZnO pouvait, selon les conditions de préparation, émettre dans l’ultraviolet, le violet, le vert, le jaune et même le rouge. Ces propriétés optiques de ZnO dépendent fortement de la morphologie des matériaux.

Dans un travail précédent, une méthode de synthèse basée sur des précurseurs organométalliques a été développée pour élaborer des nanomatériaux de ZnO. Des nano-objets ZnO avec différentes tailles et formes peuvent être obtenus en changeant certains paramètres expérimentaux (milieu de réaction, types de ligands, température, temps d'incubation, etc.). Cependant, l'influence de la structure des amines utilisées comme ligands n'était pas clair. C'est pourquoi cette thèse s'est attachée à étudier en premier lieu ce point particulier.

Nous utilisons une analyse statistique de graphes 2D pour extraire les informations sur la taille des particules synthétisées caractérisées par TEM. Les données traitées suggèrent que le mécanisme de croissance anisotrope se fait selon un processus d'attachement orienté, processus qui est finalement entravé par une gélification induite par l'interaction du précurseur de zinc avec les amines. Les nanoparticules de ZnO ont été synthétisées avec des amines de même longueur de chaîne mais de structure différente (amine primaire, secondaire et tertiaire). Les analyses RMN et DFT ont suggéré que la différence de morphologie entre les NCs de ZnO provient d'une forte différence de leur mobilité à la surface du ZnO. En effet, l'interaction des amines primaires par de multiples liaisons H à la surface de ZnO conduit à une mobilité réduite de ces amines par rapport aux amines secondaires.

Ces travaux de thèse se sont également penchés sur le phénomène de gélification découvert lors de la synthèse de ZnO. Cette formation de gel est liée à la formation d'oligomères. Cependant, pour mieux comprendre la force motrice conduisant à ce gel, nous avons étudié les évolutions des propriétés rhéologiques avec le temps, pour des amines primaires de longueurs de chaîne différentes. Les résultats de RMN suggérent que des forces intermoléculaires (force de Van der Waals, réticulation) contribuent à modifier la vitesse de gélification et le temps de début de gélification. Plus la chaîne est longue, plus la gélification est rapide, ceci étant confirmé par les mesures rhéologiques.