Croissance et propriétés photocatalytiques de couches minces de TiO2 et W-TiO2 déposées par PECVD sur polymère

Growth and photocatalytic properties of TiO2 and W-TiO2 thin films deposited by PECVD on polymer

• Auteur / Autrice : William Ravisy
• Direction : Agnès Granier, Mireille Richard-Plouet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 17/11/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Eric Tomasella
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Belmonte, Stéphanie Roualdes, Jean-Jacques Simon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Belmonte, Stéphanie Roualdes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de titane

Couches minces

Photocatalyse

Mots clés libres

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Résumé

Ce travail porte sur l’étude de la croissance de couches minces de TiO2 et de W-TiO2 à basse température par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) sur polymère pour des applications en photocatalyse. Une première étude vise à comparer la morphologie de couches de TiO2 de différentes épaisseurs déposées en plasma créé en modes continu et pulsé. Cette étude a permis de proposer un nouveau modèle de croissance des couches et d’identifier une épaisseur critique, correspondant à la coalescence des colonnes polycristallines d’anatase. Cette épaisseur critique est mesurée par une analyse d’ellipsométrie spectroscopique réalisée in situ et en temps réel. Le modèle de croissance a ensuite été consolidé par une seconde étude portant sur les couches de TiO2 déposées pour différentes puissances plasma et vitesses de dépôt ainsi que par l’analyse de la nanostructurede certaines couches de TiO2 par microscopie électronique en transmission. L’étude de la structure des couches de TiO2 en fonction de la composition de la phase plasma, met en évidence que l’oxygène atomique est une espèce déterminante dans l’apparition d’anatase. Enfin, le réacteur de PECVD a été modifié pour déposer des couches minces d’oxyde de tungstène et de nouveaux matériaux W-TiO2. Nous avons ensuite étudié l’effet de l’incorporation de cations tungstène dans la couche de TiO2 sur la structure et les propriétés photocatalytiques de ces matériaux. Grâce à la compréhension des mécanismes de croissance de ces oxydes par PECVD basse température, ce travail apporte un regard nouveau sur leur dépôt, leur optimisation et leur potentiel, pour des applications de photocatalyse et au-delà.

This work describes the study of the growth of TiO2 and W-TiO2 thin films at low temperature by plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) on polymer for photocatalysis applications. A first study aims at comparing the morphology of TiO2 layers of different thicknesses deposited in continuous and pulsed plasma. This study allowed to propose a new model of layer growth and to identify a critical thickness, corresponding to the coalescence of anatase polycrystalline columns. This critical thickness is measured by a spectroscopic ellipsometry analysis performed in situ and in real time. The growth model was then consolidated by a second study of the TiO2 layers deposited for different plasma powers and deposition rates as well as by the analysisof the nanostructure of some TiO2 layers by transmission electron microscopy. The study of the structure of TiO2 layers as a function of the composition of the plasma phase, highlights that atomic oxygen is a determining species in the appearance of anatase. Finally, the PECVD reactor was modified to deposit tungsten oxide thin films and new W-TiO2 materials. We then studied the effect of incorporating tungsten cations into the TiO2 layer on the structure and photocatalytic properties of these materials. Thanks to the understanding of the growth mechanisms of these oxides by low temperature PECVD, this work brings a new look on their deposition, optimization and potential, for photocatalysis applications and beyond.