Ablation laser des métaux Ag et Fe : applications aux dépôts de films minces ou de nanoparticules sur substrats solide et liquide

Laser ablation of Ag and Fe metals : applications to the deposition of thin films or nanoparticles on solid and liquid substrates

• Auteur / Autrice : Charaf Eddine Bejjit
• Direction : Eric Millon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 26/03/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés. UMR 7344 (Orléans ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Maryline Guilloux-Viry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Dumas-Bouchiat, Jean-Philippe Blondeau, Christophe Cachoncinlle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Bouquet, Frédéric Dumas-Bouchiat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glycérine

Nanoparticules d'oxyde de fer

Synthèse (chimie)

Nanoparticules d'argent

Dépôt par laser pulsé

Essais

Nanoparticules

Surfaces (technologie)

Mots clés libres

Couches minces

Nanoparticules

Ablation laser

Substrat liquide

Substrat monocristallin

Métal

Thin films

Nanoparticles

Laser ablation

Liquid substrate

Single crystal substrate

Metal

Résumé

Depuis plusieurs décennies, l'ablation laser de matériaux a suscité un intérêt grandissant en tant que processus physique pour la croissance de films minces. Ce processus d'ablation consiste en l'interaction d'un faisceau laser impulsionnel (durée d'impulsion de quelques nanosecondes en général) avec un matériau cible qui conduit à la formation d'un plasma. Les espèces ablatées sont classiquement collectées sur un substrat solide, technique connue sous le nom de PLD (pulsed-laser deposition). L'objectif principal de ce travail est d'étudier une voie qui n'a jamais été explorée consistant à utiliser un liquide comme ''substrat'', susceptible de conduire à la formation de nanoparticules (NPs). Dans une première partie, nous avons utilisé les spécificités de la PLD classique pour la formation de films minces d'oxyde de fer FeOₓ sur un substrat monocristallin (saphir c-cut). Nous avons obtenu par ablation d'une cible métallique de fer, des films minces épitaxiés d'environ 200 nm d'épaisseur constitués des différentes phases du système Fe-O en fonction des conditions de pression et de température du substrat. Les caractéristiques structurales et morphologiques des films obtenus ont été analysées. Par la suite, la PLD a été employée comme procédé́ de synthèse de NPs métalliques (Ag) et d'oxydes de fer (FeOₓ) sur/dans un substrat liquide (le glycérol). Les propriétés structurales et morphologiques des NPs ont été caractérisées par microscopies électroniques à balayage et en transmission, diffraction des rayons X et spectroscopie d'absorption UV/visible. Des dépôts réalisés sur du silicium (Si) dans les mêmes conditions de pression et de fluence laser ont permis de comparer les processus de croissance des NPs en phase liquide avec ceux des films minces sur substrat solide. Enfin, des hypothèses expliquant les différences observées entre les mécanismes de croissance des NPs d'argent et des NPs d'oxyde de fer sont proposées.

For several decades, laser ablation of materials has attracted growing interest as a physical process for the growth of thin films. The ablation process involves the interaction of a pulsed laser beam (typically with a pulse duration of a few nanoseconds) with a target material, leading to the formation of a plasma. The ablated species are typically collected on a solid substrate, a technique known as PLD (pulsed-laser deposition). The main objective of this work is to study a previously unexplored approach using a liquid as a ''substrate'', which could lead to the formation of nanoparticles (NPs). In the first part, we used the specificities of PLD to form FeOₓ iron oxide thin films on a single-crystal substrate (c-cut sapphire). Using the ablation of a Fe target, we obtained epitaxial thin films of 200 nm thick, made up of the different phases of the Fe-O system as a function of pressure and substrate temperature conditions. The structural and morphological characteristics of the films obtained were analyzed. Furthermore, PLD was employed as a procesś for the synthesis of metal NPs (Ag) and iron oxides (FeOₓ) on/in a liquid substrate (glycerol). The structural and morphological properties of the NPs were characterized by electron microscopies, X-ray diffraction and UV/visible absorption spectroscopy. Depositions on silicon (Si) under the same conditions of pressure and laser fluence were used to compare the growth processes of NPs in the liquid phase with those of thin films on solid substrates. Finally, hypotheses explaining the differences observed between the growth mechanisms of silver NPs and iron oxide NPs are proposed.