Cours du Collège de France Morphogenèse Chimique Jacques Livage Collège de France www.labos.upmc.fr/lcmcp Cours 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

Plaquettes hexagonales 1µm

Croissance en rubans polaires face Zn-(0001) chargée positivement face O-(0001) chargée négativement -

hélices anneaux 1µm

Nanocombs & Nanosaws - Nanopeignes & Nanoscies

Filaments axiaux à partir desquels poussent des ramifications Arborescences Filaments axiaux à partir desquels poussent des ramifications

2µm

P. Gao, Z.L. Wang, J. Phys. Chem. B, 106 (2002) 12653 ZnO + SnO2

On observe des petites billes de Sn au bout des fils de ZnO

Sn ZnO

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

La forme des fils axiaux dépend de la face de croissance 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

En l’absence de germes de Sn 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

Pas de germe Sn

JACS, 125 (2003) 4728

Du peigne au ruban 1 Croissance 1D rapide le long de l‘axe c 2 3 1 Croissance 1D rapide le long de l‘axe c 2 Formation de dendrites via la sursaturation locale résultant de processus de diffusion limitée 3 Extension 2D

À partir de rubans plutôt que de fils 4 µ 0,5 µ 200 nm MEB MET

Nanocastles

1 µ

1 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

Transport en phase vapeur : Zn(g) + 1/2 O2(g) ZnO(s) Paramètres = T°C - PO2 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>

contrôle thermodynamique La forme change quand PO2 augmente 5% Croissance lente contrôle thermodynamique 10% Croissance rapide contrôle cinétique

Auto-assemblage des tétrapodes dimère trimère

Arm 1 Patch 2

2006 Conjugaison des propriétés semi-conductrices et piezo-électriques de ZnO

Transistors à effet de Champ création d ’une zone dépeuplée au sein d’u n semi-conducteur par application d’un champ électrique. ZnO - MOSFET

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

Création d ’une zone dépeuplée par déformation distribution des charges Distribution des contraintes le long d’un nanofil courbé création d’une zone dépeuplée

courbure d’un nanofil de ZnO caractéristique I-V

Réseau de nanofils de ZnO l ≈ 200 à 500 nm d ≈ 20 à 40 nm distance ≈ 100 nm Réseau de nanofils de ZnO Procédé Vapeur-Liquide-Solide croissance à partir de gouttelettes d’or sur substrat d’alumine

Transformation d’une énergie mécanique en énergie électrique le fil de ZnO est plié sous l’action d’une pointe d’AFM 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

Contact ohmique ZnO-Ag 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