Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-objets

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Nanostructures métalliques unidimensionnelles : mécanisme de croissance et organisations

Sujet de Thèse 2018
Nanostructures métalliques unidimensionnelles : mécanisme de croissance et organisations

La première partie du sujet de thèse proposé sera consacrée au développement de synthèses par voie chimique en phase liquide de nanostructures métalliques anisotropes, nanofils et assemblées linéaires de nanoparticules, et à l’élucidation des mécanismes de croissance. La compréhension des mécanismes de nucléation/croissance s’appuiera sur un suivi in situ par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et aux grands angles (WAXS/PDF) et par spectroscopie d’absorption X (XANES, EXAFS) lors de campagnes de mesures sur synchrotron et par l’analyse de l’émission de dihydrogène qui s’avère dans certains cas être une sonde précise du processus chimique pour l’identification des étapes de nucléation et de croissance des particules.
Le second aspect du projet consistera à développer les outils de diélectrophorèse et de magnétophorèse pour l’orientation contrôlée de particules anisotropes avec des objectifs complémentaires : l’élaboration de matériaux fonctionnels anisotropes par assemblage sous champ et la possibilité de réaliser des caractérisations in situ d’assemblées de particules anisotropes orientées. Enfin, grâce au dispositif de diélectrophorèse la réalisation d’expérience de croissance sous champ électrique haute fréquence sera réalisée pour étudier l’influence de ce paramètre sur la structure des particules.
Les nano-objets visés dans ce programme de recherche sont :
- des nanofils d’or ultrafins (diamètres < 2 nm) [1-6] ; les enjeux sont l’élucidation de leur structure atomique et une meilleur contrôle de leur stabilité en jouant sur les ligands de surface afin de pouvoir les intégrer dans des dispositifs fonctionnels ;
- des nanobâtonnets de cobalt [7-9], pour l’élaboration de catalyseurs hétérogène sélectifs pour la déshydrogénation oxydante des alcools et comme briques de base d’aimants permanents submillimétriques intégrables en microélectronique et dispositifs magnéto-optique ;
- des chaines linéaires de particules d’or ou magnétiques, nanostructures modèles pour l’étude des couplages dipolaires dans des assemblées unidimensionnelles et pour le transfert électronique. Les propriétés physiques de ces nanostructures seront étudiées au sein du LPCNO en collaboration avec les autres équipes du laboratoire.

Collaborations nationales et internationales
Ce sujet de thèse s’inscrit en partie dans le cadre du projet ANR Tanopol regroupant 4 laboratoires spécialisés dans la synthèse de nanoparticules, la chimie théorique et la catalyse (LPCNO, ITODYS, ENS Lyon et IRCELYON). Ce travail s’appuiera aussi sur les collaborations de l’équipe Nanostructures et Chimie Organométallique du LPCNO avec des spécialistes de diffusion des rayons X in situ pour l’analyse des mécanismes de croissance : M. Imperor (LPS Université Paris Saclay), S. Teychené, P. Roblin (LGC, Université de Toulouse) et V. Petkov (Central Michigan University) ainsi que sur des collaborations avec l’Instituto de Nanociencia de Aragon (Zaragoza, Espagne) et le CEMES (Université de Toulouse) pour la microscopie électronique à l’échelle atomique.

Formation par la recherche
A l’issu de cette thèse le(la) candidat(e) sera formé(e) à la synthèse de nanoparticules métalliques en phase liquide, aux outils de caractérisation ultime de nano-objets, dont l’utilisation de rayonnements X avec des campagnes synchrotron. Le travail étant mené dans le cadre de collaborations internationales le(la) candidat(e) aura à exposer ses travaux en anglais lors de réunions d’avancement, de workshop et de conférences.

Références
Nanofils d’or
[1] Cotunneling transport in ultra-narrow gold nanowire bundles
A. Loubat, W. Escoffier, L.-M. Lacroix, G. Viau, R. Tan, J. Carrey, B. Warot-Fonrose, B. Raquet, Nano Research, 2013, 6, 644–651.
[2] Growth and Self Assembly of Ultrathin Au Nanowires into Expanded Hexagonal Superlattice Studied by in situ SAXS
A. Loubat, M. Impéror-Clerc, B. Pansu, F. Meneau, B. Raquet, G. Viau, L.-M. Lacroix, Langmuir, 2014, 30, 4005–4012.
[3] Dynamic HAADF STEM observation of single atom chain as transient state of Au ultrathin nanowire breakdown
L.-M. Lacroix, R. Arenal, G. Viau, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 13075–13077.
[4] Directed assembly of single colloidal gold nanowires by AFM nanoxerography
P. Moutet, L.-M. Lacroix, A. Robert, M. Impéror-Clerc, G. Viau, L. Ressier, Langmuir 2015, 31, 4106–4112.
[5] Ultrathin Au Nanowires : Soft-Templating vs Liquid Phase Synthesis, a Quantitative Study
A. Loubat, L.-M. Lacroix, A. Robert, M. Impéror-Clerc, R. Poteau, L. Maron, R. Arenal, B. Pansu, G. Viau, J. Phys. Chem. C, 2015, 119 , 4422-4430.
[6] Surface-engineering of ultrathin gold nanowires : tailored self-assembly and enhanced stability
El S. Nouh, E. Baquero, L.–M. Lacroix, F. Delpech, R. Poteau, G. Viau, Langmuir, 2017, 33, 5456–5463.

Nanofils de cobalt
[7] Localized Magnetization Reversal Processes in Cobalt Nanorods with Different Aspect Ratios
M. Pousthomis, E. Anagnostopoulou, I. Panagiotopoulos, R. Boubekri, W. Fang, F. Ott, K. Aït Atmane, J.-Y. Piquemal, L.-M. Lacroix, G. Viau, Nano Research, 2015, 8, 2231-2241.
[8] Dense arrays of cobalt nanorods as rare-earth free permanent magnets
E. Anagnostopoulou, B. Grindi, L.–M. Lacroix, F. Ott, I. Panagiotopoulos, G. Viau, Nanoscale, 2016, 8, 4020 – 4029.
[9] Consolidation of cobalt nanorods : a new route for rare-earth free nanostructured permanent magnets
S. Ener, E. Anagnostopoulou, I. Dirba, L. –M. Lacroix, F. Ott, T. Blon, J. –Y. Piquemal, K. P. Skokov, O. Gutfleisch, G. Viau, Acta Materialia, 2018, 145, 290-297.