Exfoliation de phases minérales 2D, leurs dépôts en couches minces et applications

Exfoliation of 2D mineral phases, their deposition in thin layers and applications

• Auteur / Autrice : Lina Cherni
• Direction : Jean-Christophe Gabriel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 26/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Mélinon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlos Drummond, Anne Galarneau, Anniina Salonen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Drummond, Anne Galarneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colloïdes

Bulles de savon

Exfoliation

Cristaux liquides

Rayons X -- Diffusion

Mots clés libres

Diffusion des rayons X

Nanofeuillets anioniques

Cristal-liquide

Dépôt contrôlé

Exfoliation

X-ray scattering

Anionic nanosheets

Liquid crystal

Controlled deposit

Exfoliation

Résumé

Cette thèse est dédiée à l'étude d'une sélection de matériaux 2D formés par des couches chargées négativement, notamment l'acide phosphatoantimonique, la bentonite et des aluminophosphates lamellaires. Ces matériaux sont choisis pour leur stabilité chimique qui peut leur conférer un éventail de domaines d'application. Leurs synthèses sont réalisées suivant des protocoles déjà publiés. Leur exfoliation en phase liquide permet l'étude de la structure de leurs feuillets ainsi que de leurs propriétés à l'échelle nanométrique. Dans le cadre de cette thèse, nous rapportons les premiers essais d'exfoliation des aluminophosphates lamellaires dans des solvants verts. La bentonite est une argile dont l'exfoliation se fait par mise en contact de l'eau. Tout comme les argiles, l'acide phosphatoantimonique donne une suspension colloïdale dans l'eau. Cette dernière se caractérise par un pH acide. L'étude de sa neutralisation par ajout de bases alcalines a permis de découvrir un comportement inédit de ces feuillets. Nos travaux montrent que ces derniers arrivent à repasser de leur état exfolié à l'état cristallin. Étant exfoliés, ces matériaux sont utilisés pour développer des compositions liquides en présence de molécules tensioactives. Le but est de permettre la réalisation de films fins de nanofeuillets par une nouvelle méthode de dépôt développée au CEA. Cette dernière est basée sur le transfert des nanofeuillets confinés dans un film d'eau stabilisé par des tensioactifs. Les résultats présentés incluent les caractérisations par des moyens de microscopie électronique à balayage (MEB) et de microscope à force atomique (AFM) des feuillets individuels et des films réalisés à partir de cette méthode de déposition. Cette approche permet d'obtenir des dépôts d'épaisseurs variables et contrôlables, allant de la monocouche à des multicouches en ajustant la concentration des feuillets. De plus, cette approche permet le transfert de films de nanofeuillets sur des surfaces de différentes natures ce qui ouvre de nombreuses perspectives d'utilisation. Ceci est illustré dans cette thèse par nos premiers résultats pour la fonctionnalisation de capteurs à base de nanotubes de carbone ou encore la formation de couche de protection anti-graffiti.

This thesis is dedicated to the study of a selection of 2D materials formed by negatively charged layers, including phosphatoantimonic acid, bentonite and lamellar aluminophosphates. These materials are chosen for their chemical stability which gives them a wide range of applications. Their syntheses are performed according to known protocols. Their exfoliation in liquid phase allows the study of the structure of their sheets as well as their properties at the nanometric scale. In this thesis, we report the first exfoliation tests of lamellar aluminophosphates in green solvents. Bentonite is a clay that is exfoliated by contact with water. Like clays, phosphatoantimonic acid gives a colloidal suspension in water. The latter is characterized by an acid pH. The study of its neutralization by addition of alkaline bases allowed the discovery of a new behavior of these nanosheets. Our work shows that they can shift from the exfoliated state to a crystalline state. Being exfoliated, these materials are used to develop liquid compositions in the presence of surfactant molecules. The aim is to allow the realization of thin films of nanosheets by a new deposition method developed at CEA. The latter is based on the transfer of nanosheets confined in a water film stabilized by surfactants. The results presented include scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) characterizations of the individual nanosheets and films deposed with this method. This approach allows to obtain deposits of variable and controllable thicknesses, ranging from monolayers to multilayers by adjusting the concentration of nanosheets. Moreover, this approach allows the transfer of thin nanosheet-based films on different types of surfaces, which allows them to be used for different purposes. This is illustrated by our first results for the functionalization of carbon nanotube based sensors as well as the formation of anti-graffiti protection layers.