Aérosols et plasmas froids à la pression atmosphérique pour un procédé innovant de synthèse de couches minces nanocomposites or/polymère

Aerosols and atmospheric pressure cold plasmas for an innovative process for synthesizing gold/polymer nanocomposite thin films

• Auteur / Autrice : Alexandre Perdrau
• Direction : Françoise Massines
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PROcédés, Matériaux et Energie Solaire
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MEE - Matériaux pour l'Energie et l'Espace

Mots clés

Mots clés libres

Pecvd

Plasma froid à pression atmosphérique

Nanoparticules plasmoniques

Décharge contrôlée par barrière dielectrique

Sel métallique

Polymère

Pecvd

Atmospheric pressure cold plasma

Plasmonic nanoparticles

Dielectric barrier discharge

Metallic salt

Polymer

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'étudier une nouvelle approche de synthèse de couches minces nanocomposites constituées de nanoparticules (NPs) métalliques (or) dans une matrice diélectrique réalisées à l'aide d'un procédé plasma à pression atmosphérique. Grâce à leur nature plasmonique, ces nanomatériaux développent des propriétés optiques et optoélectroniques originales, notamment dans la gamme du visible. Leur domaine d'application est très large. Leur grande capacité à absorber le rayonnement et à le redistribuer de manière locale en font de bons candidats pour le développement de nouveaux absorbeurs dans les cellules photovoltaïques. Ils sont également envisagés pour le traçage de médicaments en nanomédecine ou encore comme catalyseurs pour des applications de dépollution de l'eau par photocatalyse et plus récemment pour le développement de concentrateurs solaires luminescents de nouvelle génération. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse est de répondre au besoin de procédés « safe by design » pour réaliser une grande variété de couches minces nanocomposites (NCs) polymère – nanoparticules (NPs) métalliques à propriétés contrôlées sur de grandes surfaces. Ce procédé synthétisera à bas coût et en une seule étape les couches NCs. Il opérera à basse température et générera très peu d'effluents. Cette solution, jamais explorée auparavant, consiste à utiliser conjointement un aérosol de sels métalliques solubilisés dans un solvant polymérisable et un plasma froid à la pression atmosphérique (PA) généré par une décharge contrôlée par barrière diélectrique (DBD). La preuve de concept a été réalisée à PROMES, il s'agit maintenant de synthétiser des couches minces nanocomposites or/polymère présentant des propriétés plasmoniques maîtrisées par le contrôle de la taille, la densité et l'organisation des nanoparticules d'or. Le dépôt de couches nanocomposites à propriétés multifonctionnelles contrôlées suppose de maîtriser la croissance de la matrice, la croissance des nanoparticules, les interactions entre les nanoparticules et leur inclusion dans la matrice. L'étude très exploratoire menée dans le cadre de cette thèse cherchera à contrôler le plus indépendamment possible chacune de ces étapes, lors du dépôt par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) à pression atmosphérique à partir d'un aérosol contenant les précurseurs de la matrice et des NPs. La principale clé de l'étude est l'association de différentes fréquences de la tension qui génère le plasma, gaz ionisé qui initie la chimie et donc la croissance de chacune des phases du composite. Chaque fréquence devra favoriser un des quatre principaux processus que sont la croissance de la matrice, la croissance des nanoparticules dans le gaz et à la surface et le transport des nanoparticules du gaz vers le substrat. Les couplages entre les différentes fréquences seront étudiés tant au niveau de leur effet sur la physique et la chimie du plasma que sur la croissance du composite. Le plasma et les nanomatériaux produits seront analysés pour définir les mécanismes qui contrôlent les différentes étapes de la croissance de la couche mince et ses propriétés pour in fine pouvoir optimiser les propriétés du nanocomposite via les paramètres du procédé.

The aim of this thesis is to study a new synthesis approach of nanocomposite thin layers made of metallic nanoparticles (NPs) (gold) in a dielectric matrix made using a plasma method at atmospheric pressure. Thanks to their plasmonic nature, these nanomaterials develop original optical and optoelectronic properties, especially in the visible range. Their field of application is very wide. Their great ability to absorb radiation and redistribute it locally makes them good candidates for the development of new absorbers in photovoltaic cells. They are also envisaged for tracing drugs in nanomedicine or as catalysts for water cleaning applications by photocatalysis and more recently for the development of new-generation luminescent solar concentrators. In this context, the objective of this thesis is to meet the need for 'safe by design' processes to produce a wide variety of thin polymer nanocomposites (NCs) - metallic nanoparticles (NPs) with controlled properties on large surfaces. This process will synthesize the NCs layers at low cost and in a single step. It will operate at low temperature and generate very little effluent. This solution, never explored before, consists of using together an aerosol of metal salts dissolved in a polymerizable solvent and a cold plasma at atmospheric pressure (AP) generated by a dielectric barrier discharge. The proof of concept was carried out at PROMES, it is now a synthesizer of thin layers nanocomposites or / with plasmonic properties mastered by controlling the size, density and organization of gold nanoparticles. The deposition of nanocomposite layers with controlled multifunctional properties assumes mastering the growth of the matrix, the growth of the nanoparticles, the interactions between the nanoparticles and their inclusion in the matrix. The highly exploratory study conducted in this thesis will seek to control as independently as possible each of these steps, when deposited by PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) at atmospheric pressure from an aerosol containing the precursors of the matrix and NPs. The main key of the study is the association of different frequencies of the voltage which generates the plasma, ionized gas which initiates the chemistry and therefore the growth of each phase of the composite. Each frequency should favor one of the four main processes that are the growth of the matrix, the growth of nanoparticles in the gas and on the surface and the transport of the nanoparticles of the gas towards the substrate. The couplings between the different frequencies will be studied both in terms of their effect on the physics and chemistry of the plasma and on the growth of the composite. The plasma and the nanomaterials produced will be analyzed to define the mechanisms that control the different stages of the growth of the thin layer and its morphology and chemical and optical characteristics in order to be able to optimize the properties of the nanocomposite via the parameters of the process.