Soutenance mémoire
La recherche dans le domaine de sciences des matériaux est motivée par l’espoir de découvrir de nouvelles architectures des matériaux offrant de meilleures performances que les matériaux déjà existants. Les nanomatériaux représentent un domaine de la matière condensée en fort développement depuis plusieurs années. L’intérêt d’étudier les matériaux à l’échelle nanométrique réside dans le fait que de nombreux phénomènes physico-chimiques ont une grandeur caractéristique de l’ordre du nanomètre. Par conséquent, réduire la taille d’un matériau jusqu’à quelques nanomètres permet de modifier et de contrôler de nombreuses propriétés. Qu’ils soient sous forme de particules, de films minces ou d’échantillons massifs, les nanomatériaux ouvrent des perspectives prometteuses en terme d’applications dans divers domaines à savoir, le magnétisme, la mécanique, la catalyse et l’optique. L’engouement pour les nanomatériaux s’explique aussi comme conséquence naturelle de la miniaturisation continue des dispositifs de certaines industries notamment la microélectronique. Les matériaux nanostructurés sont des solides dans lesquels un paramètre au moins, tel que l’orientation du réseau cristallin, la composition chimique ou la densité atomique varie sur une échelle de l’ordre de quelques nanomètres. Ces matériaux peuvent ainsi se présenter sous diverses formes selon la dimensionnalité du caractère nanostructuré.
Généralités sur les matériaux nanostructurés
De nombreux travaux sur la synthèse et les applications technologiques des matériaux nanostructurés se sont rapidement développés au cours de ces deux dernières décennies. Cet intérêt provient de la découverte que leurs propriétés physiques, approchées par une grande variété de méthodes expérimentales, diffèrent de celles des solides de tailles conventionnelles.
Nanomatériaux
Durant les dernières décennies, les nanomatériaux connaissent un grand intérêt scientifique et technologique, en raison de leurs propriétés remarquables qui différent de celles des matériaux massifs de même composition [1]. Les matériaux nanocristallins posent un problème sur le plan de la compréhension des phénomènes par ce que la plupart des lois physiques ont été établies et validée sur des matériaux classiques avec des tailles de cristallites micrométriques. L’effet de la nanostructuration sur les propriétés physiques est tout à fait notable, ne serait ce qu’en raison de l’importante fraction de matériau que représentent les interfaces (faible degré d’ordre, brisure de symétrie….). De plus, l’étude des nanomatériaux a démontré qu’il était possible de maîtriser leurs propriétés chimiques, mécaniques, électriques, magnétiques et optiques en contrôlant la taille, la morphologie et la configuration des entités qui les composent [1-3]. Les propriétés magnétiques des nanomatériaux sont également influencées par l’état nanocristallin comme l’aimantation à saturation, Ms, et la température de transition ferromagnétique/paramagnétique qui diminue considérablement [4-6]. Les propriétés des nanomatériaux proviennent essentiellement de la taille nanométrique des cristallites (allant jusqu’à 100 nm) et la présence d’une fraction d’atomes associés à une zone interfaciale avec un arrangement désordonné appelée joint de grains (Figure I.1). Par exemple dans un matériau dense, la forte fraction de joint de grains change notablement les propriétés mécaniques et électriques (l’allongement à la rupture, la dureté, la résistivité augmente d’une valeur d’un facteur 2 à 3). Dans le domaine de magnétisme, les propriétés magnétiques relèvent de couplage à des distances plus grand comme couplage d’échange (10 – 100 nm dans les matériaux doux) ou des interactions dipolaires. Il existe notamment une transition de phase magnétique pour une taille de grains inférieur à la longueur d’échange: l’anisotropie magnéto-cristalline se trouve moyennée dans l’espace et disparait si les cristaux sont orienté aléatoirement modèle d’anisotropie aléatoire (Random Anisotropy Model).
Les nanomatériaux peuvent être obtenus par l’incorporation de nombreux défauts tels que les lacunes, les interstices, les joints de grains, les dislocations etc. Afin de fabriquer ces nanostructures et nanomatériaux, plusieurs technologies ont été explorées.
Classification
Les nanomatériaux peuvent être classés en quatre familles selon leurs formes :
-Les matériaux de dimension 0 qui sont constitués de grains nanométriques dispersés de façon aléatoire ou organisée dans une matrice. On les retrouve par exemple dans les cristaux colloïdaux utilisés en optique et dans les fluides magnétiques ;
– les matériaux de dimension 1 qui sont sous forme de nanofils ou de nanotubes ;
– les matériaux de dimension 2, élaborés en forme de couche ultrafine par dépôts d’agrégats ou d’atomes ;
– les matériaux de dimension 3 qui se présentent sous une forme compacte et sont composés de grains mono ou polyphasés.
Les nanostructures de dimension 0
En dimension 0, ce sont les agrégats d’atomes ou des nanoparticules isolées obtenus à partir d’une phase vapeur sursaturée. Les agrégats d’atomes sont des particules de petites tailles contenant des atomes ou molécules.
L’étude de leurs propriétés chimique et physique permet d’explorer la transition progressive des systèmes atomiques ou moléculaires vers la matière condensée. Ils fournissent de ce fait un système unique pour la compréhension des mécanismes tels que la nucléation, l’adsorption ou les transitions de phases.
Les nanostructures de dimension 1
Les systèmes à une dimension regroupent les nanofils et les nanotubes. Les nanofils sont généralement des nano-objets longilignes dont les dimensions vont d’un nanomètre à quelques dizaines de nanomètres pour la section et de 500 à 10.000 nanomètres pour la longueur. Ils sont généralement utilisés pour la transmission de signaux électriques, optiques et même chimiques. Les nanotubes de carbone par exemple sont constitués d’un ou de plusieurs tubes concentriques. Ils sont formés d’atomes de carbone disposés en réseau hexagonal ainsi que de deux demi-molécules de fullerènes à chaque extrémité.
Les nanostructures de dimension 2
Cette catégorie regroupe les multicouches, dans lesquels la dimension nanométrique caractérise l’épaisseur ; il est important de signaler que la couche est soit homogène soit constituée de nano-blocs. La caractéristique principale de ces multicouches est la haute densité d’interface. Généralement, les multicouches possèdent des interfaces dont la nature et la composition chimique peuvent différer de celles des couches individuelles. Notons aussi que la faible distance entre les interfaces successives entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. Les structures multicouches revêtent un intérêt théorique, notamment sur les mécanismes quantiques élémentaires, ainsi qu’un fort intérêt technologique, du fait de leurs propriétés particulières, telle que la magnétorésistance géante.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Généralités sur les Matériaux Nanostructurés
I.1 Nanomatériaux
I.2 Classification
I.2.1 Les nanostructures de dimension 0
I.2.2 Les nanostructures de dimension 1
I.2.3 Les nanostructures de dimension 2
I.2.4 Les nanostructures de dimension 3
I.3 Domaines d’application des matériaux nanostructurés
I.3.1 Nanomagnétisme
I.3.2 Application des nanostructures magnétiques à la médecine
I.3.3 Application des nanostructures magnétiques à l’enregistrement magnétique
I.3.4 Micro et nanosystèmes
I.3.5 Nanoélectronique
I.3.6 Optoélectronique
I.3.7 Nanochimie
I.4 Origine de la différence de propriétés
I.5 Méthodes d’élaboration des matériaux nanostructurés
Chapitre II La mécanosynthése
II.1 Introduction
II.2 Les étapes de la mécanosynthèse
période initiale
Période dominée par le soudage des particules
Période de formation de particules équiaxes
Période de convolution aléatoire des lamelles
Période de synthèse en régime stationnaire
II.3 Paramètres de broyage
II.3.1 Nature des poudres
II.3.2 Type de broyeur
Le broyeur planétaire
Le broyeur vibratoire
Le broyeur attriteur
II.3.3 Le rapport masse billes/masse poudre
II.3.4 L’atmosphère de broyage
II.3.5 Broyage continu – séquentiel
II.3.6 La température de broyage
II.3.7 Contamination de la poudre
III.4 Principe de broyage à haut énergie
III.5 Application de la mécanosynthèse
III.5.1 Amorphisation par broyage
III.5.2 Elaboration de solutions solides à partir d’éléments immiscibles
Chapitre III Techniques expérimentales et système FeSe
III.1 Préparation des poudres FeSe
III.2 Caractérisation des poudres broyées
III.2.1 Microscopie électronique à balayage (SEM)
III.2.2 Spectroscopie par dispersion en énergie des rayons (EDS)
III 2.3 Diffraction de rayons X (DRX)
Effet de taille
Effet de microdéformations
III.2.3.1 Méthode de Rietveld
III.2.3.2 Fonction de profil des pics de diffraction h(2θ)
a) fonction de profil instrumental g(2θ)
b) Fonction de profil f(2θ)
III.2.3.3 Elargissement des profils de pics de diffraction
III.2.3.4 Enregistrement des diagrammes de diffraction X
III.2.4 Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC)
III.2.5. Spectrométrie Mössbauer
III.2.5.1 Les paramètres hyperfins
Déplacement isomérique ID
Séparation quadripolaire SQ
Champ hyperfin (Hhp)
Largeur de raie
Intensité relative des raies
III.2.5.2 Enregistrement des spectres Mössbauer
III.3 Système Fe-Se
III.3.1 Propriétés de fer et de sélénium
Le sélénium
Le fer
III.3.2 Diagramme d’équilibre de l’alliage Fe-Se
Chapitre IV Résultats expérimentaux et discussions
Système Fe25Se75
IV.1.1 Etude par microscope électronique à balayage (MEB)
Etude morphologique
Analyse de la composition chimique des poudres
IV.1.2 Etude par diffraction de rayons X
IV.1.2.1 Proportions relatives des phases
IV.1.3 Analyse Différentielle Calorimétrique (DSC)
Système Fe75Se25
IV.2.1 Etude pare microscope électronique à balayage (MEB)
Etude morphologique
Analyse chimique
IV.2.2 Etude par diffraction de rayons X
IV 2.2.1 Proportions relatives des phases
IV.2.3.2 Densité de dislocations
IV.2.2.3 Variation de la taille des cristallites 〈L〉 et du taux de microdéformations <σ2>1/2
IV.2.3 Etude par spectrométrie Mössbauer
IV.2.3.1 Modèles d’ajustement des spectres Mössbauer
IV.2.3.2 Spectres Mössbauer
IV.2.4 Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC)
IV.3 Conclusion
Conclusion générale
