Utilisation de la sonde atomique tomographique laser pour les études spectroscopiques des matériaux pour l'énergie

par Deodatta Shinde

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Angela Vella et de Bernard Deconihout.

Soutenue en 2016

à Rouen , dans le cadre de École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016) , en partenariat avec Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....) (laboratoire) .

Les rapporteurs étaient Fabrice Gourbilleau, Jérôme Plain.

mots clés

• Sondes atomiques tomographiques
• Microscopie électronique à balayage et en transmission
• Spectroscopie de luminescence
• Lumière -- Absorption
• Nanoparticules d'or
• Cermets

Résumé

La sonde atomique tomographique assistée par laser (LaAPT) est une technique très performante pour la caractérisation structurale et chimique des matériaux à l’échelle atomique en trois dimensions. Considérées les dimensions nanométriques des échantillons analysés en La-APT, la La-APT est aussi un instrument de choix pour l’étude de l’interaction lumière-matière à l’échelle nanométrique. Le premier objectif de ce travail de thèse a été de montrer la possibilité d’utiliser la La-APT comme une techniques très versatile pour l’étude des propriétés structurales et optiques des matériaux, avec un regard particulier vers les matériaux pour les centrales à énergie solaire, comme les céramiques métalliques (CERMETS), et les matériaux pour l’émission de lumière, comme les puits quantiques InGaN/GaN. Les propriétés optiques d’absorption des nano-pointes de MgO et Fe2O3 avec des inclusions (nano-particules) d’or ont été étudiées en couplant les analyses de sonde atomique assistée par laser aux mesures de microscopie optique et électronique. De plus, le processus d’échauffement induit par l’absorption de l’énergie laser a été discuté. Dans le cas des puis quantiques de InGaN/GaN un nouvel approche a été introduit pour étudier la corrélation directe entre les propriétés structurales et d’émission de lumière en utilisant la LaAPT, la microscopie électronique à transmission (STEM) et la spectroscopie de micro-photoluminescence (µ-PL).

Résumé

Laser assisted atom probe tomography (LaAPT) is a powerful technique for the structural and chemical analysis of materials at near atomic resolution and in 3-dimensions. Considering the nanoscale specimen and the use of ultra-fast laser pulses in the technique, this instrument can also be used to study light-matter interaction at the nanoscale. Hence the technique will not only give structural and chemical characterization at atomic scale of materials but also new insight on the optical and electrical properties at nano-scale. In this regard, the prime objective of this thesis is to study the feasibility of LaAPT as a versatile tool to investigate structural and optical properties of the nanoscale material with particular emphasis on materials for solar-energy plant, like METallic CERamics (CERMET), and for light emission, like InGaN/GaN quantum wells. The optical absorption properties of nanotips of Au-nanoparticles embedded in MgO and Fe2O3 matrix, have been studied coupling LaAPT analysis with optical and electron microscopy. Moreover, the heating process induced by the laser-energy absorption was also discussed. In the case of InGaN/GaN quantum wells, a novel correlative approach was introduced to study the direct correlation between structural and optical emission properties using LaAPT, Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) and micro-photoluminescence (µ-PL) spectroscopy.