Croissance et morphologie de nanoparticules coeur-coquille Fe@Au facettées : une étude expérimentale et théorique

Growth and morphology of facetted core-shell Fe@Au nanoparticles : an experimental and theoretical

• Auteur / Autrice : Ségolène Combettes
• Direction : Magali Benoit, Patrizio Benzo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Propriétés optiques

Nanoparticules d'or

Propriétés magnétiques

Nanoparticules d'oxyde de fer

Mots clés libres

Nanoparticules bimétalliques

FeAu

Croissance

Simulations

Monte Carlo

Morphologie

Cœur-coquille

UHV magnetron sputtering

Bimetallic nanoparticles

FeAu

Growth

Simulations

Monte Carlo

Morphology

Core-shell

UHV magnetron sputtering

Résumé

L'association de deux métaux dans les nanoparticules (NPs) bimétalliques permet de combiner les propriétés physiques des deux métaux ou d'exalter l'une d'entre elles. De plus, la configuration chimique qu'adoptent les NPs bimétalliques joue un rôle déterminant quant au comportement des deux métaux l'un par rapport à l'autre, et des nanoparticules face au milieu extérieur. De ce fait, il est primordial de pouvoir contrôler la croissance ainsi que la morphologie finale de ces NPs. Le travail présenté ici concerne les NPs cœur-coquille Fe@Au. Dans cette configuration, la coquille d'or protège le fer de l'oxydation, préservant ses fortes propriétés magnétiques. L'or présente également des propriétés optiques et est un très bon candidat pour l'ancrage de molécules biologiques. Les NPs Fe@Au présentent donc des propriétés optiques et magnétiques, permettent l'ancrage de médicaments à leurs surfaces et sont par conséquent des candidats intéressants pour de nombreuses applications. Cependant la maîtrise de leurs propriétés passe par le contrôle de leur morphologie et de leur ordre chimique. Ce travail est donc consacré à l'étude des mécanismes de croissance et de la morphologie finale des NPs Fe@Au. Pour cela, une étude combinée expériences/simulations a été menée. Tout d'abord, des NPs Fe@Au ont été synthétisées par pulvérisation cathodique magnétron sous ultravide et leur mécanisme de croissance a été étudiée en faisant varier plusieurs paramètres durant la synthèse. La structure et la morphologie des NPs synthétisées a ensuite été étudiée au moyen de techniques avancées de microscopie électronique en transmission. Les NPs adoptant une morphologie originale, avec un cœur de fer cubique et des pyramides tronquées d'or sur chaque face du cube, nous avons notamment montré le rôle joué par la quantité d'or déposée sur la morphologie du cœur de fer. Certaines propriétés, notamment catalytiques, des NPs ainsi obtenues ont aussi été explorées. En parallèle, nous avons mené une étude théorique afin de modéliser le dépôt de l'or sur le fer par simulations Monte Carlo. Plusieurs potentiels interatomiques pour décrire les interactions présentes dans le système Fe-Au ont été paramétrés et testés. Les résultats des simulations montrent que la morphologie des NPs Fe@Au évolue avec la quantité d'or déposé sur le cœur de fer, en accord avec les observations expérimentales. Pour finir, l'argent ayant des propriétés très similaires à celles de l'or, le système Fe-Ag a également été étudié par simulations Monte Carlo. Les différences observées entre les deux systèmes peuvent être attribuées aux différences d'énergie d'interface Fe/Au et Fe/Ag.

The association of two metals in bimetallic nanoparticles (NP) allows the combination of the physical properties of the two metals or the enhancement of one of them. In addition, the chemical configuration adopted by bimetallic NPs plays an important role in the behavior of the two metals with respect to each other, and of the nanoparticles with respect to the external environment. Therefore, it is essential to be able to control the growth as well as the final morphology of these NPs. The work presented in this thesis concerns Fe@Au core-shell NPs. In this configuration, the gold shell protects the iron from oxidation preserving its strong magnetic properties. Moreover, gold has interesting optical properties and is a very good candidate for anchoring of biological molecules. Therefore, Fe@Au NPs have optical and magnetic properties, allow the anchoring of drugs to their surfaces and are thus interesting candidates for many applications. However, mastering their properties requires the control of their morphology and of their chemical order. This thesis work is therefore devoted to the study of the growth mechanisms and the final morphology of Fe@Au NPs. To achieve this, a combined experiment/simulation study was undertaken. First, Fe@Au NPs were synthesized in an ultrahigh-vacuum magnetron sputtering device and their growth mechanism was studied by varying several parameters during the synthesis. The structure and the morphology of the synthesized NPs were then studied using advanced transmission electron microscopy techniques. NPs adopting an original morphology, with a cubic iron core and truncated pyramids of gold on each side of the cube, we especially showed the influence of the quantity of deposited gold on the morphology of the iron core. Some properties, in particular catalytic, of the obtained NPs have also been explored. In parallel, we also carried out a theoretical study in order to model the deposition of gold on the iron core by Monte Carlo simulations. Several interatomic potentials needed to describe the interactions present in the Fe-Au system have been parameterized and tested. The results of the simulations show that the shape of the Fe@Au NPs changes with the amount of deposited gold on the iron core, in agreement with experimental observations. Finally, since silver has very similar properties to gold, the Fe-Ag system has also been studied by Monte Carlo simulations. The observed differences between the two systems can be attributed to the differences in Fe/Au and Fe/Ag interface energy.