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
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L’oxyde de Zinc ZnO
12 décembre 2006
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Croissance le long de l’axe c en prismes hexagonaux
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Croissance naturelle prismes hexagonaux
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1µm
Plaquettes hexagonales
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Croissance en rubans polaires
face Zn-(0001) chargée positivement
face O-(0001) chargée négativement-
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1µm
anneaux hélices
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Nanocombs & Nanosaws - Nanopeignes & Nanoscies
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ArborescencesFilaments axiaux à partir desquels poussent des ramifications
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2µm
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O2
ZnO + SnO2
P. Gao, Z.L. Wang, J. Phys. Chem. B, 106 (2002) 12653
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Sn
ZnO
Sn
On observe des petites billes de Sn au bout des fils de ZnO
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ZnO
Sn
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Croissance de ZnO le long de deux directions perpendiculaires
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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
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Symétrie hexagonale
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Croissance sur 1, 2, 4 ou 6 côtés
Ramifications ≈ 1 µm
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Pu Xian Gao † and Zhong L. Wang*
La forme des fils axiaux dépend de la face de croissance
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Interaction faible entre Sn et les faces Zn2+ prismes ZnO
Interaction plus forte entre Sn et les faces O2- pyramides ZnO
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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
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Pas de germe Sn
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JACS, 125 (2003) 4728
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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
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MEB
MET
4 µ 0,5 µ
200 nm
À partir de rubans plutôt que de fils
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Nanocastles
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1 µ1 µ
1 µ1 µ
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1 µ
1 µ
1 µ
0,2 µ
0,2 µ
0,2 µ
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10 µ 5 µ
1 µ 0,2 µ
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Pyrite framboïdale Sphéroïdes <250 mm avec 103 to 106 microcristaux de même taille et même forme.
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Croissance en deux étapes
Évaporation dépôt
1100°C pendant 60 min substrat à 650°C
1300°C pendant 30 min substrat à 850°C
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![Page 38: Morphogenèse Chimique Jacques Livage Collège de France Cours du Collège de France 12.12.06](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062417/551d9d8c497959293b8c0932/html5/thumbnails/38.jpg)
Petites billes de Sn à l’extrémité
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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
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Le diamètre varie de 0,1 à 2 µm quand on augmente PO2
4 monocristaux allongés le long de la direction <001>
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La forme change quand PO2 augmente
5%
Croissance lentecontrôle thermodynamique
10%
Croissance rapidecontrôle cinétique
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Auto-assemblage des tétrapodes
dimèredimère trimère
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Arm 1 Patch 2
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2006
Conjugaison des propriétés semi-conductrices et piezo-électriques de ZnO
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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.
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Transistor à effet de champ
200°C air
200°C vide
250°C vide
ZnO-MOSFET
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La conductance d’un nanofil de ZnO diminue lorsqu’on lui applique une déformation
force appliquée
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Distribution des contraintes le long d’un nanofil courbé
distribution des charges
création d’une zone dépeuplée
Création d ’une zone dépeuplée par déformation
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courbure d’un nanofil de ZnO caractéristique I-V
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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
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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
![Page 54: Morphogenèse Chimique Jacques Livage Collège de France Cours du Collège de France 12.12.06](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062417/551d9d8c497959293b8c0932/html5/thumbnails/54.jpg)
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
![Page 55: Morphogenèse Chimique Jacques Livage Collège de France Cours du Collège de France 12.12.06](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062417/551d9d8c497959293b8c0932/html5/thumbnails/55.jpg)
Diode Schottky ZnO-Pt (redresseur)
pôle positif V+
Contact ohmique ZnO-Ag
pôle négatif V-
Transformation d’un mouvement en courant électrique
![Page 56: Morphogenèse Chimique Jacques Livage Collège de France Cours du Collège de France 12.12.06](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062417/551d9d8c497959293b8c0932/html5/thumbnails/56.jpg)
Tension produite par un réseau de nanofils de ZnO au cours d’un balayage par la pointe de l’AFM