(coeur) Co / (coquille)

173 Pages·2017·9.34 MB·French

by  Salvatore Costanzo

Synthèse, caractérisation et spectroscopie de
nanoparticules de Co et (coeur) Co / (coquille) CoO
auto-organisées
Salvatore Costanzo
To cite this version:
Salvatore Costanzo. Synthèse, caractérisation et spectroscopie de nanoparticules de Co et (coeur)
Co / (coquille) CoO auto-organisées. Chimie-Physique [physics.chem-ph]. Université Pierre et Marie
Curie - Paris VI, 2017. Français. ￿NNT: 2017PA066190￿. ￿tel-01741351￿
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Université Pierre et Marie Curie
Ecole doctorale 388
Chimie Physique et Chimie Analytique de Paris Centre
Laboratoire De la Molécule au Nano-objet : Réactivité, Interactions et Spectroscopies
Synthèse, caractérisation et spectroscopie
de nanoparticules de Co et Co/ CoO auto-organisées
(cœur) (coquille)

par Salvatore Costanzo

Présentée et soutenue publiquement le 21 Septembre 2017

Devant un jury composé de :
Mme Sylvie Begin-Colin, Prof. Université de Stasbourg Rapporteur
M. Pascal Puech, MCF HDR Université de Toulouse Rapporteur
Mme Maggy Colas, CR CNRS HDR, Université de Limoges Examinateur
M. Nordin Felidj, Prof. Université Paris Diderot Examinateur
Mme Catherine Louis, DR CNRS, UPMC Examinateur
M. Guilhem Simon, MCF UPMC Co-encadrant
M. Philippe Colomban, DR CNRS, UPMC Invité
Mme Isabelle Lisiecki, DR CNRS, UPMC Directrice de thèse
Un savant dans son laboratoire n'est pas seulement un technicien : c'est aussi un enfant placé
devant des phénomènes naturels qui l'impressionnent comme des contes de fées. Nous devons
avoir un moyen pour communiquer ce sentiment à l'extérieur, nous ne devons pas laisser croire
que tout progrès scientifique se réduit à des machines et des engrenages.

Marie Curie

A Oscar

1
REMERCIMENTS
A la fin de ce parcours, il est temps de remercier toutes les personnes qui ont contribué à sa
réussite.
Je tiens à remercier tout particulièrement les rapporteurs, Mme Sylvie Begin et M. Pascal Puech
qui ont acceptés de rapporter ce travail. Je remercie également les examinateurs, Mme Maggy
Colas, Mme Catherine Louis et M. Nordin Felidj.
Je remercie vivement mon équipe d’encadrement pour m’avoir donnée la possibilité de
développer ce sujet. Je remercie ma directrice Mme Isabelle Lisiecki, d’avoir investi son temps et
son énergie tout au long de ces trois années avec moi. Isabelle m’a appris à me confronter à mes
propres limites en me motivant chaque jour. Je la remercie aussi pour tous les efforts et la
patience qu’elle a eue concernant la langue Française ! Je lui suis vraiment reconnaissant. Merci
aussi à M. Philippe Colomban et M.Guilhem Simon pour avoir été des Co-encadrants présents.
Merci pour leurs encouragements chaque fois que j’avais le sentiment de ne pas y arriver et
merci pour les discussions que l’on a eu durant cette longue période de travail intensive.
Je voudrais remercier aussi M. Christophe Petit, directeur du laboratoire, pour m’avoir donné la
possibilité de réaliser cette thèse au laboratoire MONARIS.
Je remercie M. Pierre-Antoine Albouy du Laboratoire de Physiques des Solides de Paris XI pour les
mesures de SAXS et Mme Sawako Nakamae et Mme Caroline Raepsaet du laboratoire IRAMIS du
CEA pour les mesures SQUID.
Merci à Mme Patricia Beaunier du LRS pour les mesures au microscope HRTEM.
Merci à Mme Caroline Saltzemann pour ses éncouragements et ses conseils sciéntifiques.
Merci à M. Johannes Richardi pour avoir apporté sa contribution très intéressante et
enrichissante à ma thèse.
Merci à Ludovic Bellot-Gurlet pour toutes les discussions que l’on a eu concernant le Raman et
l’enseignement et pour la gentillesse qu’il a toujours eu envers moi.
Merci à M. Ngo Anh-Tu pour le support qu’il m’a apporté chaque fois que j’en avais besoin. Son
aide technique et scientifique a été précieuse, je lui serai toujours reconnaissaient pour l’attitude
qu’il a eu vers moi.
Merci à M. Bruno Madebene pour son aide concernant l’informatique, il était toujours avec un
grand sourire et une grande patience. Je le remercie aussi pour les suggestions concernant
l’enseignement.
Merci à M. Nicolas Goubet pour toutes les fois où il est venu m’aider et me soulager lorsque le
TEM faisait des bruits bizarres.
Merci à M. Hervé Portales pour les discussions que nous avons eues et pour l’aide qu’il m’a
fournie quand j’en avais besoin.
Merci au Dr Imad Arfoui pour avoir été un vrai « potes à la compote », son support à la fin de la
thèse m’a donné beaucoup de force, je le remercie aussi pour les échanges que nous avons eus
lors de nos pauses.
2
Merci a Mme Mathilde Chabaud, Mme le HR800, je lui suis vraiment reconnaissant pour tout ce
qu’elle m’a appris sur l’instrumentation et surtout je la remercie pour sa disponibilité 365 jours
par an et presque 24h par jour.
Merci au Dr Romain Breitwieser pour les discussions que l’on a eu sur le magnétisme des
nanoparticules, ainsi que pour les verres partagés après des grosses journées au laboratoire.
Merci au Dr Romain Brisse, partager le bureau avec lui et son clavier a été une belle expérience.
Ses encouragements vers la fin de la thèse m’ont servis à ne pas perdre l’espoir.
Merci à tous les autres membres du laboratoire : Mme. Nelly Lacome, M. Esmaïl Alikhani, M.
Pierre Asselin, M. Yann Berger, Mme. Alexa Courty, M. Gwnaël Gouadec, M. Mickaël Guinet, M.
David Jaquemart, M. Lahouari Krim, Mme. Vanessa Labet , Mme. Sylvie Noinville, Mme. Céline
Paris, Mme. Pascale Soulard, M. Benoît Tremblay, Mme Emilie Zins, M. Seropian Thierry et M.
Sayed Albahrni.
Merci à M. Patrice Sébastien et Mme Mylène Colmar pour avoir été des gestionnaires présents
et attentifs à mes exigences et à mes requêtes. Je remercie spécialement Patrice pour toutes
« les belles choses antillaises » qu’il amenait au laboratoire.
Merci à tous les doctorants/amis avec qui j’ai partagé joie, passions, science, alcool, larmes et
repas.
Merci à Settakorn Uppasen, Marine Wojcieszak, Julene Aramendia, Cristina Fornacelli, Pierre
Aubertin, Lynda Meziane, Farid Kamache, Mario Avila, Alter Zakhtser, Clement Dulong, Cairedine
Kalais, Mindaugas Jonusas, Mohammed Ibrahim, Zhu Jingwen, Abraham Vesquiez, Alessandra
Puglisi (ICPMR) et Luca Perego (ENS).
Je remercie mon collègue de bureau et de souffrances pour les nuits passées ensemble sur le
manuscrit, Lionel Chapus.
Je remercie Hela Kammoun pour la gentillesse et le soutiens qu’elle m’a toujours montrés, je lui
souhaite le mieux pour sa carrière.
Je tiens à remercier une collègue, une ami, une sœur, une franco-italienne qui a capturé dès le
premier instant mes attentions. Le Dr Marlène Aubin a été un coup de cœur. C’est quelqu’un que
l’on rencontre quand la vie décide de te faire un super cadeau ! Les moments passés avec
Marlène ont étés un des plus beaux souvenirs de cette expérience. Je la remercie aussi pour tous
ses conseils qu’elle a sus me donner en Raman. Je remercie également sa famille qui a été
toujours sympa avec moi.
Je remercie M. Adrien Garnier avec qui j’ai partagé mes meilleures cigarettes durant mes pauses.
Merci à lui aussi pour avoir été à mes côtés dans les pires moments de ma fin de thèse. Avec sa
gentillesse, son soutien et sa bonne humeur, Adrien a rendu mes journées meilleures.
Je remercie avec tout mon cœur mon papa, un vrai modèle de vie pour moi, son courage et son
esprit d’entreprise m’ont toujours motivés. Merci à ma petite sœur/colocataire Serena, qui avec
beaucoup de patience m’a supporté sans jamais rien dire tout au long de la période de rédaction.
3
Je remercie l’association « Laissez-nous danser » qui m’a donné l’occasion de découvrir la danse
de salon, les cours du lundi m’ont aidé à me changer les idées dans les journées « non », en étant
avec des gens cools, entre un pas chassé et un verre avant les cours.
Et pour dernière, mais le plus important, je remercie mon héros, mon homme, mon roc, qui n’as
jamais cessé de me soutenir, même quand il en avait droit, Oscar. Sa présence continue, ses
mots, son amour et surtout sa patience et sa cuisine ont été la force nécessaire pour accomplir
cette mission. Je remercie également notre chat Marcello qui a bien profité de mon ordinateur
pendant la rédaction en s’étalant sur le clavier.

4
Abréviations

AFM = Antiferromagnétique
AL = Acide dodécanoïque
AOT = Docusate
BZ = Zone de Brillouin
Cfc = cubique faces centrées
Cyclo = Cyclohexane
DCB = 1,2-dichlorobenzène
DDD = 1,2-dodecanediol
DFT = Density Functional Theory
DOE = Dioctyléthere
DPE = Diphényléther
EB = Exchenge bias
EELS = Electron Energy Loss Spectroscopy
ESM = Elastic sphere Model
FM = Ferromagnétique
hcp = hexagonale compact
HDMA = Héxadecylamine
HOPG = High Ordered Pyrolitic Graphite
HR = Haute Résolution
IRM = Imagerie par résonance magnétique
Iso = Isooctane
MEB= Microscopi Electronique à Balayage
MET = Microscopie Electronique à Transmission
MOKE = Magneto-Optic Kerr Effect
NPs = Nanoparticules
OA = Acide oleïque
ODA = Dioctylamine
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OSA = Oléylsarcosine
OY = Oleilamine
PCM = Phonon Confinement Model
PVP = Polyvinylpyrrolidone
SFM = Superferromagnétique
SPR = Plasmon de Surface
Tb = Température de blocage
TBP = Tributylphosphine
TOP =Trioctylphosphine
TOPO= Oxyde de trioctilphosphine
TPP = Triphenylphosphine
XPS = Spectroscopie Photo-électronique X

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Sommaire

INTRODUCTION................................................................................................................................. 9
CHAPITRE I—Etat de l’art ............................................................................................................... 15
I-1 Généralités ................................................................................................................................. 16
1.1 Le monde nanométrique ....................................................................................................... 16
1.2 Synthèses de NPs de cobalt sphériques de taille et de cristallinité contrôlées .................... 19
1.3 Elaboration de NPs creuses d’oxyde magnétique complexe de géométrie cœur/coquille et
propriétés magnétiques. ................................................................ Erreur ! Signet non défini.
1.4 Organisations tri-dimentionnelles de NPs magnétiques sur longue distance. ..................... 36
1.5 Magnétisme de l’état métallique. ......................................................................................... 40
1.6 La spectroscopie Raman ........................................................................................................ 46
1.7 La spectroscopie Infrarouge et les NPs métalliques ............................................................. 62
CHAPITRE II—Contrôle de taille et compréhension des mécanismes de croissance de
nanoparticules de cobalt synthétisées par voie colloïdale .......................................................... 65
Introduction........................................................................................................................... 66
2.1 Effet du solvant réactionnel sur la synthèse de NPs de cobalt métallique ........................... 67
2.2 Pourquoi ne peut-on considérer les micelles inverses comme nanoréacteurs dans notre
nouvelle stratégie de synthèse ? .......................................................................................... 72
2.3 Rôle clé du solvant dans le contrôle de taille des NPs de cobalt .......................................... 72
Conclusion ............................................................................................................................. 76
CHAPITRE III—Organisations 2D et 3D sur longue distance de NPs de cobalt
Introduction .......................................................................................................................... 78
3.1. Organisations 2D et 3D de NPs de cobalt par croissance hétérogène ................................. 78
3.2. Organisations 3D de NPs de cobalt par croissance homogène ............................................ 86
Conclusions............................................................................................................................ 91
CHAPITRE IV—Étude de l’oxydation de NPs de Co en solution et par voie sèche en cœur
(Co )/coquille (CoO) et auto-assemblées .................................................................................... 93
hcp
Introduction........................................................................................................................... 94
4.1 Elaboration de NPs cœur (Co )/coquille (CoO) ................................................................... 94
hcp
4.2 Propriétés magnétiques des NPs de Co et cœur (Co ) /coquille (CoO) ..................... 104
cfc cfc/hcp
Conclusions .......................................................................................................................... 108
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CHAPITRE V—Analyse vibrationnelle des NPs de Co & cœur (Co)/(CoO)coquille
....................................................................................................................................................... 109
5.1 Analyse vibrationnelle des NPs de Co ................................................................................. 110
5.2 Analyses vibrationnelles de NPs de Co@CoO ..................................................................... 121
Conclusion ............................................................................................................................ 134
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ................................................................................. 137
BIBLIOGRAPHIE ......................................................................................... Erreur ! Signet non défini.
ANNEXES ....................................................................................................................................... 161
A1. La microscopie électronique. ............................................................................................. 162
A2. Diffusion des rayons-X à incidence rasante ........................................................................ 164
A3. Détermination de la structure supracristalline d’un supracristal de NPs de Co de 9 nm ... 166
A4. Calcul du taux de couverture de NPs de Co de 7.7 nm en taille et de NPs de Co@CoO de 9.6
nm....................................................................................................................................... 167
A5. La spectroscopie Raman : le spectromètre Lab HR800 ...................................................... 168
A6. Magnétométrie SQUID........................................................................................................ 169

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