morphogenèse chimique jacques livage collège de france cours du collège de france 12.12.06
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Morphogenèse ChimiqueJacques Livage
Collège de France
www.labos.upmc.fr/lcmcpCours du Collège de France
12.12.06
L’oxyde de Zinc ZnO
12 décembre 2006
Croissance le long de l’axe c en prismes hexagonaux
Croissance naturelle prismes hexagonaux
1µm
Plaquettes hexagonales
Croissance en rubans polaires
face Zn-(0001) chargée positivement
face O-(0001) chargée négativement-
1µm
anneaux hélices
Nanocombs & Nanosaws - Nanopeignes & Nanoscies
ArborescencesFilaments axiaux à partir desquels poussent des ramifications
2µm
O2
ZnO + SnO2
P. Gao, Z.L. Wang, J. Phys. Chem. B, 106 (2002) 12653
Sn
ZnO
Sn
On observe des petites billes de Sn au bout des fils de ZnO
ZnO
Sn
Croissance de ZnO le long de deux directions perpendiculaires
Croisance en 2 étapes
croissance axiale rapide des rubans le long de [0001]
croissance radiale par épitaxie perpendiculaire aux rubans
à partir de gouttelettes de Sn
Symétrie hexagonale
Croissance sur 1, 2, 4 ou 6 côtés
Ramifications ≈ 1 µm
Pu Xian Gao † and Zhong L. Wang*
La forme des fils axiaux dépend de la face de croissance
Interaction faible entre Sn et les faces Zn2+ prismes ZnO
Interaction plus forte entre Sn et les faces O2- pyramides ZnO
Les faces positives Zn2+ s’oxydent pour donner ZnO
tandis que les faces négatives O2- restent plus inertes
plans Zn2+
plans O2-
Wang, Kong, Zuo, Phys. Rev. Lett. 385 (2003) 185502
En l’absence de germes de Sn
Pas de germe Sn
JACS, 125 (2003) 4728
1Croissance 1D rapide le long de l‘axe c
2Formation de dendrites via la sursaturation locale
résultant de processus de diffusion limitée3
Extension 2D
Du peigne au ruban
1
2
3
MEB
MET
4 µ 0,5 µ
200 nm
À partir de rubans plutôt que de fils
Nanocastles
1 µ1 µ
1 µ1 µ
1 µ
1 µ
1 µ
0,2 µ
0,2 µ
0,2 µ
10 µ 5 µ
1 µ 0,2 µ
Pyrite framboïdale Sphéroïdes <250 mm avec 103 to 106 microcristaux de même taille et même forme.
Croissance en deux étapes
Évaporation dépôt
1100°C pendant 60 min substrat à 650°C
1300°C pendant 30 min substrat à 850°C
Petites billes de Sn à l’extrémité
Paramètres = T°C - PO2
Transport en phase vapeur : Zn(g) + 1/2 O2(g) ZnO(s)
Chaque branche est un monocristal de ZnO wurtzite croissant le long de l’axe hexagonal
Le diamètre varie de 0,1 à 2 µm quand on augmente PO2
4 monocristaux allongés le long de la direction <001>
La forme change quand PO2 augmente
5%
Croissance lentecontrôle thermodynamique
10%
Croissance rapidecontrôle cinétique
Auto-assemblage des tétrapodes
dimèredimère trimère
Arm 1 Patch 2
2006
Conjugaison des propriétés semi-conductrices et piezo-électriques de ZnO
ZnO - MOSFET
Transistors à effet de Champ
création d ’une zone dépeuplée au sein d’u n semi-conducteur par application d’un champ électrique.
Transistor à effet de champ
200°C air
200°C vide
250°C vide
ZnO-MOSFET
La conductance d’un nanofil de ZnO diminue lorsqu’on lui applique une déformation
force appliquée
Distribution des contraintes le long d’un nanofil courbé
distribution des charges
création d’une zone dépeuplée
Création d ’une zone dépeuplée par déformation
courbure d’un nanofil de ZnO caractéristique I-V
Réseau de nanofils de ZnO
Procédé Vapeur-Liquide-Solidecroissance à partir de gouttelettes d’or
sur substrat d’alumine
l ≈ 200 à 500 nm
d ≈ 20 à 40 nm
distance ≈ 100 nm
le fil de ZnO est plié sous l’action d’une pointe d’AFM
Transformation d’une énergie mécanique en énergie électrique
Signal électrique provoqué par la déformation Vibration du fil
La déformation entraîne l’apparition de charges électriques (piezo-électricité)
positives à l’extérieur et négatives à l’intérieur
Utilisation des micro-décharges piezo-électriques générées par la déformation des nanofils de ZnO
dans un réseau comprenant des millions de nanofils
Diode Schottky ZnO-Pt (redresseur)
pôle positif V+
Contact ohmique ZnO-Ag
pôle négatif V-
Transformation d’un mouvement en courant électrique
Tension produite par un réseau de nanofils de ZnO au cours d’un balayage par la pointe de l’AFM