Elaboration de nanofils et de nanotubes de silicium par électrodéposition en liquide ionique et propriétés d’émission associées

Elaboration of silicon nanowires and nanotubes by electrodeposition in ionic liquid and study of their emission properties

• Auteur / Autrice : Florie Martineau
• Direction : Michel Troyon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique, chimie, nanosciences
• Date : Soutenance le 25/08/2011
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne ; 2000-2011)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Nanofils

Nanotubes

Mots clés libres

Electrodépot

Electrodeposition

Résumé

Le silicium sous forme de nanofil peut être utilisé dans de nombreux domaines en raison de ses propriétés spécifiques et de son important rapport surface/volume : transistors à nanofil unique, anodes pour batteries Li-ion, capteurs... Ces applications restent cependant dans l'état actuel de simples prototypes en raison de la difficulté de transfert technologique dû au coût relativement important des voies de synthèse utilisées. C'est pourquoi nous avons choisi, au cours de ce travail, de mettre en place un protocole de synthèse innovant et bas-coût, permettant habituellement de synthétiser de nombreux types de matériaux : l'électrodépôt. Pour pouvoir électrodéposer le silicium, il a fallu attendre l'apparition d'une nouvelle catégorie de solvants appelés " liquides ioniques ", solvants qui possèdent une fenêtre électrochimique assez large et modulable, incluant le potentiel de dépôt relativement bas du silicium. Nous avons dû, dans une première étape, réaliser et étudier l'électrodépôt du silicium sous forme de films minces, afin de valider le procédé et de comprendre les mécanismes mis en jeu selon les paramètres de synthèse. Nous avons ensuite réalisé le dépôt de silicium au sein de membranes nanoporeuses dont la taille des pores est connue et contrôlée et qui nous ont permis d'obtenir des nanofils de silicium aux dimensions parfaitement définies et en grande densité. Lors du dépôt de nanofils selon certains paramètres nous avons aussi pu observer la présence de nanotubes à certains endroits de l'échantillon. Ceci nous a amené à ouvrir une étude prospective sur les paramètres de synthèse qui ont une influence déterminante sur la géométrie des nanotubes. Parallèlement nous avons mis en place, avec succès, un protocole de co-éléctrodépôt permettant d'obtenir des nanofils de silicium dopés erbium avec un contrôle du taux de dopage dépendant des concentrations utilisées et des potentiels de dépôt appliqués. Les résultats obtenus dans tous ces domaines ont été très positifs et permettront d'ouvrir de nouveaux champs de recherche en termes d'applications ou d'approfondissements théoriques.

Silicon nanowires can be used in a lot of different applications due to its specific properties and its high surface/volume ratio : single nanowire transistors, anode in Li-ion batteries, sensors and biosensors... All those examples are still prototypes because the technology transfer appear to be difficult, mainly due to the high cost of usual synthesis processes. We choose to develop a new, cheap method, usually allowing the elaboration of a lot of kind of materials which is called " electrodeposition ". In order to electrodeposit silicon, we had to work with a new kind of solvents called " Ionic Liquids ". Those solvents have a large electrochemical window allowing electrodeposition of silicon which usually occurs at very low potentials. The first step here was to validate the process and study the effect of synthesis parameters on the reaction mecanisms for silicon thin films. In a second part, we achieved the electrodeposition in a nanoporous membrane to elaborate silicon nanowires with controlled dimensions. We observed, by changing the synthesis parameters, the emerging of a large amount of nanotubes in the samples. That's why we also did a prospective study to understand which synthesis parameters control the silicon nanotube geometry. At the same time, we studied the possibility of doping the silicon nanowires by co-electrodepositing silicon with erbiium. We obtained erbium-doped silicon nanowires with an amount of erbium controlled by either the variation of concentrations or the applied potential. Results obtained during this work are very promising and can bring up to a lot of new research axes.