Développement d'un procédé de synthèse par plasma CVD de particules coeur-coquille en diamant dopé bore et caractérisations avancées

Development of a CVD plasma assisted process for the synthesis of spherical boron doped diamond core-shells and advanced characterizations

• Auteur / Autrice : Kamilia Henni
• Direction : Hugues Girard, Jean-Charles Arnault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Edifices Nanométriques (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Samuel Saada
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Bénédic, Jean-François Hochepied, Catherine Debiemme-Chouvy, Lenuta Ileana Florea
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Bénédic, Jean-François Hochepied

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Dopage

Nanoparticules

Diamant -- Couches minces

Plasmas (gaz ionisés)

Dépôt chimique en phase vapeur

Mots clés libres

Procédé CVD

Diamant

Particules coeur-Coquilles

Diamant dopé au bore

CVD process

Diamond

Core-Shell particles

Boron-Doped diamond

Résumé

Dans cette étude, nous rapportons une approche innovante qui vise à développer un revêtement de diamant dopé au bore (BDD) sur des cœurs de silice monodisperses afin obtenir des particules cœur-coquilles de SiO₂@BDD par dépôt chimique en phase vapeur (MPCVD). Après dissolution de la silice, les coquilles de BDD pourraient être utilisées dans le développement de nouvelles architectures d'électrodes qui pour un gain significatif en surface électro/photo-active. Actuellement, les particules de BDD sont obtenues par broyage de films de BDD massifs, un processus coûteux qui produit des particules hautement polydisperses. Ce travail de thèse est structuré selon trois axes. Le premier axe est dédié à l'amélioration de la qualité cristalline des coquilles de diamant intrinsèque SiO₂@C*. L'impact de divers paramètres opératoires ont été étudiés (la concentration en méthane, le flux, la densité de germes et la géométrie du tube). Le second axe est dédié à la croissance de particules cœur-coquilles de diamant dopé au bore (BDD) par MPCVD et l'impact de la concentration en bore [B]/[C] dans la phase gaz sur la morphologie et les propriétés physico-chimiques des revêtements de diamant. Ces particules cœur-coquilles ont été étudiées par différentes techniques de caractérisation notamment par MEB, RAMAN, XPS, HRMET et EELS. Le troisième axe s'intéresse à l'optimisation du procédé de synthèse afin d'en améliorer l'homogénéité.

In this study, we report an innovative approach that aims to develop a boron-doped diamond coating (BDD) on monodispersed silica core to obtain SiO₂@BDD shell-core particles by chemical vapor deposition (MPCVD). After silica dissolution, BDD shells could be used in the development of new electrode architectures that allow a significant gain in electroactive/photoactive surface. Currently, BDD particles are obtained by grinding massive BDD films, an expensive process that produces highly polydispersed particles. This thesis work is structured according to 3 axes. The first axis is dedicated to improving the crystal quality of SiO₂@C* intrinsic diamond shells. The impact of different parameters was studied (methane concentration, flux, seeding density and tube geometry). The second axis is dedicated to the growth of boron-doped diamond core-shell (BDD) particles by MPCVD and the impact of boron [B]/[C] concentration in the gas phase on the morphology and chemical-physical properties of diamond coatings. These particles were studied by different characterization techniques (SEM, RAMAN, XPS, HRTEM and EELS). The third axis focuses on the optimization of the synthesis process to enhance its homogeneity.