Soutenance mémoire
Les Propriétés de l’oxyde de Zinc
Propriétés structurales du ZnO
Dans son état naturel c’est-à-dire dans les conditions standard, le ZnO se cristallise selon le groupe d’espace P63mc dans une structure hexagonale de type <> avec comme paramètres de maille a=3,205Ǻ et c=5,207Ǻ. Dans cette structure cristalline les atomes de zinc occupent des sites tétraédriques formes de quatre atomes d’oxygène ; les atomes d’oxygène sont dans une configuration tétraédrique entourés de quatre atomes de zinc. La coordinence 4 est typique des liaisons covalentes sp3. Cependant la liaison O-Zn possède un caractère fortement ionique en raison de la différence d’électronégativité entre l’oxygène et le zinc. De plus la structure de wurtzite est non centro symétrique. Le ZnO sous cette forme à la propriété d’être polaire suivant son axe c. Le ZnO possède une polarisation spontanée de valeur 0,05 C/m2.
Ce compose possède également deux formes allotropiques : la structure de type blende qui ne peut être stabilisée que par croissance sur des substrats cubiques et la structure de type Rocksalt (NaCl) ne peut être obtenue qu’à des pressions relativement élevées.
La structure hexagonale de type Wurtzite est celle qui est thermodynamiquement plus stable. Les atomes de zinc et d’oxygène n’occupent que 40% du volume du cristal laissant des espaces vides de rayon 0,95Ǻ.Sous certaines conditions des atomes de zinc en excès peuvent se loger dans ces espaces vides c’est-à-dire en position d’interstitiel. Cette caractéristique permet d’expliquer certaines propriétés liées aux phénomènes de semi-conductivité, de photoconductivité de luminescence ainsi les propriétés catalytiques et chimique du matériau ZnO.
La Morphologie
L’état de surface d’un échantillon est une caractéristique très importante dans la compréhension de quelques propriétés telles la morphologie la rugosité, les tailles. Le contrôle de la forme et de la taille est d’une importance capitale pour les applications en nanotechnologie. En ce qui concerne les nanomatériaux de l’oxyde de zinc la taille et la morphologie dépendent intégralement des conditions d’élaboration. Différentes structures peuvent être obtenues comme des nano-bâtonnets des nano-sphères, des couches minces, des nano- tubes, des nano-films.
Les propriétés Chimiques et catalytiques de l’oxyde de zinc
L’oxyde de zinc est quasi insoluble dans l’eau. Il est très faiblement soluble dans l’eau pure, de l’ordre du millionième en proportion massique ou de 0,42.10-3 g pour 100 g d’eau pure. Néanmoins il s’agit d’un oxyde amphotère qui est soluble dans des solutions acides (il se forme des ions Zn2+) et basiques (sous formes d’anions Zn(OH) 2- 4). Le ZnO est un amphotère c’est-à-dire possède des propriétés à la fois acides et basiques. Il est plus facilement attaque en milieu acide fort qu’en milieu basique. [5]. Le ZnO possède des propriétés chimiques intéressantes, en particulier celle d’absorption de surface gazeuse. La capacité d’une substance à être un catalyseur dans un système dépend de sa nature chimique et de ses propriétés de surface. Le ZnO est considère comme un excellent catalyseur pour plusieurs réactions comme l’oxydation, la déshydratation et la désulfurisation due au degré de perfectionnement de son réseau cristallin et de ses propriétés conductrices (lacunes, atomes en position interstitielle). [6].
Le ZnO possède également des propriétés catalytiques très prometteuses dues à l’efficacité d’oxydoréduction .Les poudres en suspension dans l’eau joue un rôle essentiel de catalyseur photochimiques pour les réactions d’oxydoréduction de l’oxygène en ozone, l’oxydation de l’ammoniac en nitrate, la dégradation des polluants organiques (pesticides, colorants) ou encore l’oxydation des phénols.
Les propriétés électriques de l’oxyde de zinc
La propriété la plus importante dans un semi-conducteur est sa structure de bande, puisque celle-ci permet de tirer d’autres propriétés importantes telles que l’énergie de gap et les masses efficaces des électrons et des trous. Elles permettent d’expliquer les propriétés électriques et beaucoup d’autres phénomènes. Pour les semi conducteurs la bande de valence et la bande de conduction sont séparés par une bande d’énergie appelé bande interdite. Un apport d’énergie plus modéré (sous forme de lumière, de chaleur d’électricité …) mais toujours supérieure à l’énergie la bande interdite va permettre l’excitation d’un électron de la bande de valence vers la bande de conduction et ainsi induire une conductivité électrique dans le matériau. On différencie généralement les semi-conducteur en deux catégories distinctes : les semi-conducteurs à faible gap tel Si, Ge possédant un gap inférieur à 1.5 ev et les semi-conducteurs à large bande supérieur à 1,5 (comprise entre 1,5 et 2 eV) comme le cas de ZnO, TiO2, GaN. Pour le ZnO la bande de valence et les limites de la bande de conduction montrent que c’est un semi-conducteur à gap direct dont le gap à température ambiante est compris entre 3,2 et 3,3ev.Les propriétés de transport de l’oxyde de zinc peuvent être décrites par la conductivité électrique. Cette grandeur caractérise la capacité de vectorisation du courant électrique par le matériau. Spécifiquement dans le ZnO, le transport est assuré par l’agitation thermique, par les trous de la bande de valence et les électrons de la bande de conduction. L’oxyde de zinc a la particularité de pouvoir être dopé par une variété importante d’éléments permettant de modifier les propriétés de conduction. La plupart des dopants entraîne une conduction de type n. Néanmoins, il a été uniquement obtenu dans les couches que le dopage par lithium, l’argent ou encore l’antimoine entraînant une conduction de type p. Le dopage de type p est limite par la solubilité de l’élément dopant dans la matrice.
Les Propriétés Optiques de l’oxyde de zinc
Les propriétés optiques d’un semi-conducteur sont associées aux effets intrinsèques et extrinsèques. Les transitions optiques intrinsèques ont lieu entre les électrons se trouvant dans la bande de conduction et les trous de la bande de valence y compris les effets excitants dus à l’interaction de coulomb. Les propriétés extrinsèques sont lies aux dopants ou aux défauts qui créent habituellement des états électroniques discrets dans la bande interdite. Comme nous l’avons mentionné auparavant le ZnO est un semi-conducteur à gap direct considéré comme un matériau. Concernant les semi-conducteurs à large bande interdite la couleur de ces dernière est directement lies a la valeur du gap optique par la relation E (eV) = (hc)/λ ≈ 1239,9/ λ (nm).Sachant que l’œil humain n’est sensible qu’à des longueurs d’onde comprises entre 380 et 780nm (soit de 3,1 à 1,6 eV) un matériau présentant un gap optique supérieure à 3 ev nous apparaitra blanc comme le cas de notre matériau d’étude l’oxyde de zinc Du fait de sa grande énergie de gap (Eg 3,3 eV), le ZnO possède une transparence optique dans le visible et le proche infrarouge. Son seuil fondamental d’absorption se situe dans l’ultra-violet. A température ambiante le spectre de photoluminescence se compose habituellement d’une bande d’absorption dans le proche UV (375nm) et d’une bande d’émission dans le vert (510nm). A cause de cette émission verte, le ZnO est considéré comme un matériau sollicite industriellement, spécialement dans la fabrication d’écran d’affichage. L’indice de réfraction de l’oxyde de zinc sous forme massive est égal à 2,0. En couche mince, son indice de réfraction et son coefficient d’absorption varient en fonction des conditions d’élaboration des couches.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Etude Bibliographique
I-1 Introduction
I-2 Les Propriétés de l’oxyde de Zinc
I-2-1 Propriétés structurales du ZnO
I-2-2 La Morphologie
I-2-3 Les propriétés Chimiques et catalytiques de l’oxyde de zinc
I-2-4 Les propriétés électriques de l’oxyde de zinc
I-3 Les voies de synthèse de l’oxyde de zinc
I-3-1 Les Méthodes Physiques
I-3-2 Les méthodes chimiques
I-3-2-2 La méthode par précipitation contrôlée
I-3-2-3 Synthèse par la chimie verte
I-4 Les Applications de L’oxyde de zinc
I-4-2 Diodes Electroluminescentes
I-4-3 Les Générateurs d’électricité
I-4-4 Cellules Solaires Photovoltaïques
I-4-5 Photocatalyseur
I-5 Conclusion
I-6 – Références
CHAPITRE II : Biosynthèse et Techniques de caractérisation
II-0 Introduction
II- 1 La Biosynthèse
II-1-1 Principes
II-1-2 Les Avantages de la Biosynthèse
II-1-3 Les inconvénients de la Biosynthèse
II-2-1 Caractérisation des propriétés structurales : Diffraction des Rayons-X
II-2-3 Microscope Electronique en Transmission (MET)
II-2-4 BET (Brunauer, Emmett et Teller)
II-2-5- Spectroscopie RAMAN
II-2-5-1-Principe de Fonctionnement
II-2-5-2 Structure d’un spectromètre RAMAN
II-3Conclusion
II-4 Références
CHAPITRE III : Résultats et Discussions
III.0. Introduction
III.1. Détails expérimentaux
III.1.1 Préparation de l’extrait de colorant d’Adansonia Digitata
III.1.2 Biosynthèse des nanoparticules de ZnO
III.2 Résultats et discussions
III-2-1 Analyse des spectres des rayons X
III-2.2 Analyse des spectres Raman
III-2.3 Analyse de surface spécifique (BET)
III-2.4 Analyse des images de la MEB
III-2.5 Analyse des images de la TEM
II.2.6 Choix du solvant d’extraction
III-7 CONCLUSION
III-8. Références
CHAPITRE IV : Conclusion Générale
