Cours du Collège de France

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1 Cours du Collège de France
Morphogenèse Chimique Jacques Livage Collège de France Cours du Collège de France

2 L’oxyde de Zinc ZnO 12 décembre 2006

3 Croissance le long de l’axe c en prismes hexagonaux

4 Croissance naturelle prismes hexagonaux

5 Plaquettes hexagonales
1µm

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

7 hélices anneaux 1µm

8 Nanocombs & Nanosaws - Nanopeignes & Nanoscies

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

10 2µm

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

12

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

14

15 Sn ZnO

16 Croissance de ZnO le long de deux directions perpendiculaires

17 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

18 Symétrie hexagonale

19 Croissance sur 1, 2, 4 ou 6 côtés
Ramifications ≈ 1 µm

20 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

21 Interaction faible entre Sn et les faces Zn2+ prismes ZnO
Interaction plus forte entre Sn et les faces O2- pyramides ZnO

22 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)

23 Pas de germe Sn

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26 JACS, 125 (2003) 4728

27 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

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

30 Nanocastles

31 1 µ

32 1 µ 0,2 µ

33 10 µ 5 µ 1 µ 0,2 µ

34 Pyrite framboïdale Sphéroïdes <250 mm avec 103 to 106 microcristaux de même taille et même forme.

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36 Croissance en deux étapes
Évaporation dépôt 1100°C pendant 60 min substrat à 650°C 1300°C pendant 30 min substrat à 850°C

37

38 Petites billes de Sn à l’extrémité

39 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

40 Le diamètre varie de 0,1 à 2 µm quand on augmente PO2
4 monocristaux allongés le long de la direction <001>

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

42 Auto-assemblage des tétrapodes
dimère trimère

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44 Arm 1 Patch 2

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46 2006 Conjugaison des propriétés semi-conductrices et piezo-électriques de ZnO

47 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

48 Transistor à effet de champ
200°C air 200°C vide 250°C vide ZnO-MOSFET

49 La conductance d’un nanofil de ZnO diminue lorsqu’on lui applique une déformation
force appliquée

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

51 courbure d’un nanofil de ZnO
caractéristique I-V

52 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

53 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

54 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

55 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

56 Tension produite par un réseau de nanofils de ZnO
au cours d’un balayage par la pointe de l’AFM