Nanomatériaux : élaboration, caractérisation et propriétés

Désignant initialement les « matériaux nanostructurés » massifs (terminologie introduite par H. Gleiter en 1993), le terme de « nanomatériaux » appelés aussi « nanos » dès 1994, s’est très vite étendu à des matériaux en couches minces et aux poudres à grains nanométriques appelées plus récemment les « nanopoudres ». Les agrégats, fullerènes, nanotubes, nanowhiskers, nanophases… sont aussi des nanos. Par contre le terme « nanotechnologies » concerne les méthodes d’analyse et les techniques d’élaboration à l’échelle du nanomètre (ce terme a remplacé « microélectronique »), et « nanosciences », les connaissances acquises et les recherches sur les nanos.

Au laboratoire PROMES en utilisant des technologies solaires existantes, en les adaptant et en les améliorant (fig. 1), plusieurs familles de nanos sont ou ont été préparées et étudiées : plusieurs oxydes purs ou alliés : ZnO (+ Co, Ni, Fe, Bi, Al… ), CeO2 (+ Ga), TiO2 (+ Yb, Fe), Bi2O3 (+ Zn), SnO2(+ Zn, Ti), γ-Fe2O3, BaTiO3 (+ Co, Y, Sb, Nb…), MgO (+ Al, Co, Si, Fe, Mn, N…); des nanos à base de carbone (graphite, fullerènes, nanotubes) ; des nanos métalliques (Zn, Al…). Des nanomatériaux massifs ont été préparés par frittage à partir de nanopoudres de Zr1-xYxO2 obtenues par fusion au four solaire et mécanobroyage.

Ces nanomatériaux sont généralement étudiés en collaboration avec des équipes françaises ou étrangères possédant la maîtrise des propriétés recherchées.

Propriétés de luminescence de nanopoudres de ZnO pur ou dopé Al
Des nanopoudres de ZnO dopé Al ont été obtenues par SPVD ( fig. 2) à partir de poudres préparées par synthèse hydrothermale en Roumanie ou par synthèse plasma en Lettonie. Les propriétés de luminescence des nanopoudres se sont avérées très remarquables puisque apparaît une luminescence dans le bleu qui, dans le cas des poudres-cibles plasma, est pratiquement monochromatique (bande étroite) et assez intense.

Propriétés magnétiques de nanoparticules de Fe-Co enrobées de MgO
Des nanopoudres préparées par SPVD sous faible pression partielle d’oxygène, à partir de mélanges de poudres MgO, Fe et Co ont été caractérisées par microscopie électronique en transmission et leurs propriétés magnétiques étudiées. Ces poudres sont formées de grains nanométriques de fer enrobés de MgO (fig. 3). Leur comportement est ferromagnétique.

Conductivité ionique de nanocomposites ZnO-Bi2O3

La conductivité ionique de composites préparés par frittage de nanopoudres obtenues par SPVD sur des cibles ZnO+Bi2O3 (fig. 4) et mesurée dans l’intervalle de température 380-600 K est très élevée par rapport à celle mesurée sur des composés à base de zircone dopée yttrium ou cérine dopée gadolinium. Extrapolée vers 1000 K, elle est comparable à celle de la phase d de l’oxyde Bi2O3 pur.

Propriétés structurales et magnétiques de nanopoudres de TiO2 dopé Fe, Co ou Mn
Les nanopoudres de TiO2 pur préparées par SPVD sont sous forme anatase si la pression d’air dans le réacteur heliotron est supérieure à environ 100 Torr. Au-dessous de 90 Torr, la phase rutile est présente en concentration élevée. Les nanopoudres de TiO2 dopé par Fe, Mn ou Co préparées par SPVD sous 10 Torr d’air sont en phase rutile ; elles sont paramagnétiques comme le montre la figure 5.

Contact : Claude Monty