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Nanocristal, supra-cristal, cristallinité, nanomètre, micromètre, SUPRANANO, Marie-Paule Pileni

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Nanocristal, supra-cristal, cristallinité, nanomètre, micromètre, SUPRANANO, Marie-Paule Pileni

From metal nanocrystal to supracrystal: crystallinity at nanometer and micrometer scales

Du nanocristal métallique au supra-cristal : la cristallinité du nanomètre au micromètre SUPRANANO

Le projet SUPRANO est fondé sur le contrôle de la croissance cristalline à différentes échelles. À l’échelle du nanomètre, le contrôle sélectif de l’ordre des atomes dans une population de nanocristaux est un réel challenge. Ainsi, le projet vise-t-il à produire une collection de nanocristaux monocristallins ou polycristallins. Les propriétés physiques et chimiques des nanocristaux devraient dépendre de leur nanocristallinité. Ces nanocristaux peuvent s’assembler à l’échelle mésoscopique selon un réseau cristallin appelé « supra-cristal ». La nanocristallinité des nanoparticules utilisées dans l’assemblage en supra-cristaux devrait modifier les propriétés chimiques et physiques des supra-cristaux.

 

Marie-Paule Pileni. © Instant Harcourt, Paris

 

Quelques résultats majeurs

La structure cristalline d’un nanocristal joue un rôle majeur sur les propriétés chimiques et physiques non seulement sur le nanocristal lui-même mais aussi sur son assemblage dans un supra-cristal.

 

La diffusion de l’oxygène dans des nanocristaux de cobalt dépend de leur nanocristallinité. Pour une phase epsilon de nanocristaux de cobalt, il se forme, quelle que soit la taille des nanocristaux (de 5-nm à 9-nm), des coquilles vides d’oxyde de cobalt, alors que pour des nanocristaux de type hcp (ou fcc), la diffusion dépend de la taille des nanocristaux avec formation pour les petites tailles de coquilles vides (4-6nm) et pour des grandes tailles (7-8nm) des coeur/coquilles avec le coeur du cobalt de type hcp (ou fcc) et la coquille un oxyde de cobalt. Dans le cas des nanocristaux amorphes, seul l’oxyde de cobalt peut être obtenu.

 

L’influence de nanocristallinité sur les modes de vibration induits par excitation laser, dépend du mode étudié. Ainsi pour le mode quadrupolaire (l=2) observé par Raman basse fréquence, une levée de dégénérescence est observée pour des nanocristaux monocristallins avec un dédoublement des pics quadrupolaires alors que pour des nanoparticules polycristallines, seul un pic est obtenu. Concernant le mode de respiration (l=0) observé par excitation laser femto-seconde, les fréquences d’oscillations restent similaires pour des nanocristaux mono-domaines ou polycristallisés avec toujours une fréquence légèrement plus élevée (2%) pour les monocristaux que pour les polycristaux.

 

a. Images de haute résolution de microscopie à balayage d’un plan de nanocristaux de type {221} vicinal au plan {111}. b. d’un plan de nanocristaux de type {35 9 1} vicinal au plan {100}. c, d’un plan de nanocristaux {430} vicinal au plan {110}. D. R.

 

L’assemblage des nanocristaux monocristallins présente un ordre orientationnel qui n’est pas observé pour les polycristaux. Ceci induit des changements très importants des propriétés mécaniques des supra-cristaux. Les supra-cristaux de monocristaux ont un module de Young bien supérieur (au minimum un ordre de grandeur) à ceux composés de nanoparticules polycristallines.

 

Pour un mélange de nanocristaux différant de leur nanocristallinité, lors de leurs assemblages en supra-cristaux, un processus de ségrégation de nanoparticules de même taille s’opère avec formation de supra-cristaux triangulaires composés de nanocristaux mono-domaines et des supra-cristaux sous forme de film constitués des nanocristaux polycristallins.

 

Des nanocristaux de cobalt mono-domaine et ferromagnétique à température ordinaire induisent, en présence de nanocristaux d’argent, la formation de « quasi » supra-cristaux.

 

Le mélange de nanocristaux mono-domaines de cobalt et d’or permet la formation de supra-cristaux caractérisés par des surfaces vicinales habituellement instables dans le cas de surfaces atomiques.

 

Les propriétés de transport, étudiées par microscopie à effet tunnel à basse température, ont pu être observées avec des supra-cristaux d’épaisseur de quelques micromètres alors que dans de telles conditions on s’attendrait à se situer dans un milieu isolant. De plus, la réponse du nanocristal isolé dans l’assemblage est observée. Ceci indique que le nanocristal garde ses propres propriétés quand il est piégé dans un supra-cristal.

 

Unité « De la Molécule aux Nano-objets : Réactivité, Interactions et Spectroscopies » (Monaris, CNRS/UPMC)Nouvelle fenêtre

 

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26/01/15