Les nanocomposites, définis comme des matériaux multiphasés intégrant au moins une phase nanométrique (10 à 100 nm), suscitent un intérêt croissant en raison de leurs propriétés uniques. Leur capacité à combiner des caractéristiques spécifiques des nanoparticules et des matrices hôtes leur confère des applications variées, notamment dans l’électronique, l’énergie et l’optique. La maîtrise des nanoparticules, tant en termes de taille que de stabilité et de propriétés fonctionnelles, est un enjeu majeur pour garantir des performances optimales. Les nanoparticules de ZnO, en particulier, sont recherchées pour leurs propriétés photoluminescentes, mais leur synthèse et leur intégration dans une matrice nécessitent un contrôle précis des paramètres chimiques et physiques afin d’éviter l’agglomération et d’optimiser leurs propriétés finales.
Dans ce cadre, notre étude s’inscrit dans le projet LuMINA (ANR-21-CE08-0011), qui vise à élaborer des couches minces nanocomposites ZnO/SiO₂ photoluminescentes. Nous avons développé un procédé hybride combinant la synthèse de nanoparticules en solution colloïdale et leur injection sous forme d’aérosol dans un plasma basse pression. Cette approche permet d’obtenir un contrôle précis de la taille des nanoparticules et de leurs propriétés photoluminescentes, tout en assurant leur intégration homogène dans une matrice.
Nous avons ainsi étudié en détail les étapes clés de la formation des nanoparticules de ZnO en solution, depuis la réaction d’hydrolyse du précurseur Zn(Cy)₂ jusqu’au contrôle de la nucléation et de la croissance. Une attention particulière a été portée sur le rôle des ligands stabilisants, qui permettent d’ajuster la taille des nanoparticules et d’optimiser leurs propriétés photoluminescentes. Cette maîtrise fine nous a permis d’obtenir des nanoparticules stables dans le pentane, présentant les caractéristiques optiques recherchées et pouvant être conservées sous forme de solution colloïdale stable sur le long terme.
Le second volet de cette étude concerne la formation et le transport de ces nanoparticules sous forme d’aérosol dans un réacteur plasma. L’utilisation d’un injecteur direct de liquide (DLI) a permis de générer un aérosol homogène, essentiel pour assurer une dispersion contrôlée des nanoparticules dans la matrice. Nous avons analysé les mécanismes de transport des gouttes et leur interaction avec le plasma, qui influencent directement la nature et la structure du nanocomposite final. En modulant les paramètres de dépôt, nous avons pu encapsuler les nanoparticules de ZnO dans des matrices adaptées, soit carbonées, soit silicatées, offrant ainsi une grande flexibilité dans le contrôle des propriétés finales des couches minces. |
Nanocomposites, defined as multiphase materials incorporating at least one nanometric phase (10 to 100 nm), are attracting growing interest due to their unique properties. Their ability to combine specific characteristics of nanoparticles and host matrices gives them a wide range of applications, particularly in electronics, energy, and optics. Controlling nanoparticles in terms of size, stability, and functional properties is a major challenge to ensure optimal performance. ZnO nanoparticles, in particular, are sought after for their photoluminescent properties, but their synthesis and integration into a matrix require precise control of chemical and physical parameters to prevent agglomeration and optimize their final properties.
In this context, our study is part of the LuMINA project (ANR-21-CE08-0011), which aims to develop photoluminescent ZnO/SiO₂ nanocomposite thin films. We have developed a hybrid process that combines the synthesis of nanoparticles in a colloidal solution with their injection in aerosol form into a low-pressure plasma. This approach allows precise control over the size of the nanoparticles and their photoluminescent properties while ensuring their homogeneous integration into a matrix.
We have studied in detail the key steps of ZnO nanoparticle formation in solution, from the hydrolysis reaction of the Zn(Cy)₂ precursor to the control of nucleation and growth. Particular attention has been given to the role of stabilizing ligands, which allow fine-tuning of nanoparticle size and optimization of their photoluminescent properties. This fine control enabled us to obtain stable nanoparticles in pentane, exhibiting the desired optical characteristics and remaining stable as a colloidal solution over the long term.
The second part of this study focuses on the formation and transport of these nanoparticles in aerosol form within a plasma reactor. The use of a direct liquid injector (DLI) allowed the generation of a homogeneous aerosol, which is essential for ensuring controlled dispersion of the nanoparticles within the matrix. We analyzed the transport mechanisms of the droplets and their interaction with the plasma, which directly influence the nature and structure of the final nanocomposite. By adjusting deposition parameters, we successfully encapsulated ZnO nanoparticles in tailored matrices, either carbon-based or silica-based, offering significant flexibility in controlling the final properties of thin films. |