Agrégats comme sondes : caractérisation de surfaces carbonées, vieillissement de nanostructures métalliques

Aggregates as probes : characterization of carbon surfaces, aging of metallic nanostructures

• Auteur / Autrice : Julie Lion
• Direction : Alain Sarfati, Nouari Kebaili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Séverine Boyé-Péronne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Andreazza, Michel Pellarin, Robert J. Morel, Odile Stéphan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Andreazza, Michel Pellarin

Mots clés

Mots clés contrôlés

États électroniques de surface

Systèmes auto-organisés

Agrégats métalliques

Mots clés libres

Agrégats

Dépôts sous UHV

Auto-organisation

États de surface

Vieillissement

Corrosion

Clusters

Deposition under UHV

Self-organization

Surface state

Aging

Corrosion

Résumé

L’objectif principal du dépôt d’agrégats, préformés en phase vapeur sur substrat, est l’élaboration contrôlée, reproductible et transposable à l’échelle industrielle de matériaux nanostructurés ouvrant ainsi la possibilité à une ingénierie des matériaux à l’échelle nanométrique. Dans cette approche, les briques élémentaires sont des agrégats et leur assemblage par auto-organisation détermine les propriétés finales du matériau. Cette auto-organisation étant lié étroitement à l’interaction entre les agrégats et la surface, la problématique peut être inversée et offrir ainsi au travers des agrégats de véritables sondes pour une caractérisation fine des états de surfaces.Ce travail de thèse illustre cette approche par le dépôt d’agrégats métalliques (Ag) et semi-métallique (Sb) sur différentes surfaces carbonées (carbone amorphe, graphite, graphène, nanotubes de carbone). Les agrégats sont obtenus à l’aide d’une source à condensation gazeuse, les dépôts effectués sous ultra-vide et l’analyse par imagerie aux microscopes électroniques (MEB) et champ proche (AFM). Ceci a permis de mettre en évidence, par nucléation hétérogène, les défauts ponctuels des surfaces (lacune, inclusion, défauts de Stones-Wales) ou structuraux (marche, joints de grains, plis, champ de contrainte élastique,…). Le prolongement de ces travaux serait de déposer ces agrégats sur d’autres matériaux présentant des états de surface particuliers, topographiques (surfaces vicinales, porosité, rugosité,…) et/ou physico-chimique (corrosion, polluants et contaminants, différences d’adhésion et d’adhérence, …).D’autres part, les nanostructures obtenues sont le plus souvent des structures topologiques métastables, possédant une très grande sensibilité aux variations de températures et/ou de compositions chimiques. Cela nous a permis d’étudier le vieillissement, de nanostructures fractales d’argent. Les résultats montrent la capacité de fixation de ces nanostructures, d’agents polluants (soufre, chlore) même présents uniquement sous forme de traces dans l’environnement, permettant d’envisager leur valorisation comme filtres et/ou capteurs ultra-sélectifs. Cette étude, nous a permis également de proposer un mécanisme hypothétique pour la corrosion de l’argent à l’échelle nanométrique.

The main goal of vapor phase preformed clusters on a substrate, is the controlled, reproducible and industrial scale production of nanostructured materials, opening, thus, the possibility of materials engineering at the nanometric scale. In this approach, the elementary bricks are the clusters and their assembly by self-organization determines the final properties of the material. As their self-organization is closely linked to the interaction between them and the surface, the problem can be reversed and thus offer, through the deposited clusters, real probes for a detailed characterization of surface states.This thesis illustrates this approach by depositing metallic (Ag) and semi-metallic (Sb) clusters on different carboneous surfaces (amorphous carbon, graphite, graphene, carbon nanotubes). The clusters are obtained using a gas aggregation source, the deposition carried out under ultra-high vacuum and analysis done by electron microscope (SEM) and near field (AFM) imaging. This made it possible to highlight, through heterogeneous nucleation, the point surface defects (lacuna, inclusion, Stones-Wales defects) or structural (steps, grain boundaries, curvatures, elastic stress fields,…). The extension of this work would be to deposit these clusters on other materials presenting particular surface states, topographic (vicinal surfaces, porosity, roughness, etc.) and / or physico-chemical (corrosion, pollutants and contaminants, differences in adhesion and grip,…).On the other hand, the nanostructures obtained are most often metastable topological structures, having a very high sensitivity to variations in temperature and / or chemical compositions. This allowed us to study the aging of silver fractal nanostructures. The results show the capacity of these nanostructures, to fixate polluting agents (sulfur, chlorine) even present only in the form of traces in the environment, making it possible to consider their use as ultra-selective filters and / or sensors. This study also allowed us to propose an hypothetical mechanism for the corrosion of silver at the nanoscale.