Morphogenèse ChimiqueJacques Livage

Collège de France

www.labos.upmc.fr/lcmcpCours du Collège de France

12.12.06

L’oxyde de Zinc ZnO

12 décembre 2006

Croissance le long de l’axe c en prismes hexagonaux

Croissance naturelle prismes hexagonaux

1µm

Plaquettes hexagonales

Croissance en rubans polaires

face Zn-(0001) chargée positivement

face O-(0001) chargée négativement-

1µm

anneaux hélices

Nanocombs & Nanosaws - Nanopeignes & Nanoscies

ArborescencesFilaments axiaux à partir desquels poussent des ramifications

2µm

O2

ZnO + SnO2

P. Gao, Z.L. Wang, J. Phys. Chem. B, 106 (2002) 12653

Sn

ZnO

Sn

On observe des petites billes de Sn au bout des fils de ZnO

ZnO

Sn

Croissance de ZnO le long de deux directions perpendiculaires

Croisance en 2 étapes

croissance axiale rapide des rubans le long de [0001]

croissance radiale par épitaxie perpendiculaire aux rubans

à partir de gouttelettes de Sn

Symétrie hexagonale

Croissance sur 1, 2, 4 ou 6 côtés

Ramifications ≈ 1 µm

Pu Xian Gao † and Zhong L. Wang*

La forme des fils axiaux dépend de la face de croissance

Interaction faible entre Sn et les faces Zn2+ prismes ZnO

Interaction plus forte entre Sn et les faces O2- pyramides ZnO

Les faces positives Zn2+ s’oxydent pour donner ZnO

tandis que les faces négatives O2- restent plus inertes

plans Zn2+

plans O2-

Wang, Kong, Zuo, Phys. Rev. Lett. 385 (2003) 185502

En l’absence de germes de Sn

Pas de germe Sn

JACS, 125 (2003) 4728

1Croissance 1D rapide le long de l‘axe c

2Formation de dendrites via la sursaturation locale

résultant de processus de diffusion limitée3

Extension 2D

Du peigne au ruban

1

2

3

MEB

MET

4 µ 0,5 µ

200 nm

À partir de rubans plutôt que de fils

Nanocastles

1 µ1 µ

1 µ1 µ

1 µ

1 µ

1 µ

0,2 µ

0,2 µ

0,2 µ

10 µ 5 µ

1 µ 0,2 µ

Pyrite framboïdale Sphéroïdes <250 mm avec 103 to 106 microcristaux de même taille et même forme.

Croissance en deux étapes

Évaporation dépôt

1100°C pendant 60 min substrat à 650°C

1300°C pendant 30 min substrat à 850°C

Petites billes de Sn à l’extrémité

Paramètres = T°C - PO2

Transport en phase vapeur : Zn(g) + 1/2 O2(g) ZnO(s)

Chaque branche est un monocristal de ZnO wurtzite croissant le long de l’axe hexagonal

Le diamètre varie de 0,1 à 2 µm quand on augmente PO2

4 monocristaux allongés le long de la direction <001>

La forme change quand PO2 augmente

5%

Croissance lentecontrôle thermodynamique

10%

Croissance rapidecontrôle cinétique

Auto-assemblage des tétrapodes

dimèredimère trimère

Arm 1 Patch 2

2006

Conjugaison des propriétés semi-conductrices et piezo-électriques de ZnO

ZnO - MOSFET

Transistors à effet de Champ

création d ’une zone dépeuplée au sein d’u n semi-conducteur par application d’un champ électrique.

Transistor à effet de champ

200°C air

200°C vide

250°C vide

ZnO-MOSFET

La conductance d’un nanofil de ZnO diminue lorsqu’on lui applique une déformation

force appliquée

Distribution des contraintes le long d’un nanofil courbé

distribution des charges

création d’une zone dépeuplée

Création d ’une zone dépeuplée par déformation

courbure d’un nanofil de ZnO caractéristique I-V

Réseau de nanofils de ZnO

Procédé Vapeur-Liquide-Solidecroissance à partir de gouttelettes d’or

sur substrat d’alumine

l ≈ 200 à 500 nm

d ≈ 20 à 40 nm

distance ≈ 100 nm

le fil de ZnO est plié sous l’action d’une pointe d’AFM

Transformation d’une énergie mécanique en énergie électrique

Signal électrique provoqué par la déformation Vibration du fil

La déformation entraîne l’apparition de charges électriques (piezo-électricité)

positives à l’extérieur et négatives à l’intérieur

Utilisation des micro-décharges piezo-électriques générées par la déformation des nanofils de ZnO

dans un réseau comprenant des millions de nanofils

Diode Schottky ZnO-Pt (redresseur)

pôle positif V+

Contact ohmique ZnO-Ag

pôle négatif V-

Transformation d’un mouvement en courant électrique

Tension produite par un réseau de nanofils de ZnO au cours d’un balayage par la pointe de l’AFM