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RÉSUMÉ
Un objet de dimensions nanométriques a des propriétés différentes de celles du matériau macroscopique dont il est issu. Les nanomatériaux sont ainsi de plus en plus utilisés pour de nombreuses applications. Cependant ils se présentent souvent dans des états métastables tant du point de vue de leur structure cristallographique, de leur forme, que de leur composition. Cet article traite de la structure, de la morphologie et de la stabilité des nano-objets (nanoparticules, matériaux bidimensionnels, films minces, nanofils et nanotubes) indépendamment de leurs modes de préparation sans omettre l’influence du substrat (cas des nano-objets déposés) ou des objets voisins (effets collectifs). Ces effets doivent être compris voire maîtrisés afin d’optimiser l’élaboration et l’utilisation des nanomatériaux.
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Pierre MÜLLER : Professeur à l’université d’Aix-Marseille - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM), UMR 7325, campus de Luminy, 13288 Marseille, France
INTRODUCTION
Les nanomatériaux manufacturés peuvent être synthétisés selon deux approches. L’approche ascendante (« bottom-up » en anglais) consiste à élaborer les nanomatériaux par assemblage d’atomes, molécules ou agrégats. Elle relève généralement de méthodes de croissance. L’approche descendante (« top-down » en anglais) est fondée sur la miniaturisation d’un matériau par fractionnement ou suppression de matière et relève généralement de l’utilisation de méthodes issues de la microélectronique. Dans tous les cas, les matériaux obtenus ne sont pas nécessairement stables. Les nanoparticules peuvent ainsi présenter des structures cristallographiques exotiques, des morphologies spécifiques, des phases thermodynamiques non usuelles ou être influencées, tant en forme qu’en taille, par le substrat sur lequel elles sont déposées ou par des particules voisines. C’est également le cas des films minces, libres ou déposés sur un substrat, qui peuvent présenter des instabilités morphologiques liées à leurs propriétés thermodynamiques, mécaniques et élastiques ou à leur couplage. Les matériaux bidimensionnels, pouvant être décrits comme des films d’épaisseur atomique ou moléculaire, présentent également des caractéristiques spécifiques en matière de stabilité. Enfin, il est possible d’obtenir des nano-objets sous forme de nanoparticules creuses, de nanofils ou de nanotubes présentant une grande stabilité.
Comprendre la structure, la morphologie et les conditions de stabilité des nanomatériaux est un préalable indispensable avant de pouvoir les intégrer dans un quelconque dispositif de laboratoire ou procédé industriel. C’est là l’objet du présent article.
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- Version archivée 1 de sept. 2001 par Paul COSTA
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3. Matériaux nanostructurés et nanocomposites
3.1 Structure
On considère maintenant des matériaux complexes qui ont une structure interne ou une surface structurée à l’échelle nanométrique tout en ayant des dimensions macroscopiques. On peut distinguer les nanocomposites (où des nanomateriaux sont incorporés dans ou sur une matrice de façon à en modifier les propriétés), les empilements de films ultraminces, les matériaux nanoporeux (possédant des pores de taille nanométrique) et les métamatériaux résultant d’une structuration optimisée afin, par exemple, de manipuler les ondes à des échelles sub-longueur d’onde. Selon les propriétés recherchées les métamatériaux sont structurés à diverses échelles, nanométrique pour des propriétés optiques mais micrométrique voire centimétrique pour des propriétés micro-ondes ou radiofréquences.
La figure 16 présente deux exemples de matériaux nanoporeux obtenus par croissance de nanotubes sur un substrat.
HAUT DE PAGE3.2 Stabilité
3.2.1 Restauration de surface par aplanissement spontané
En l’absence de contrainte, une surface artificiellement nanostructurée (par exemple obtenue par lithographie), est instable du point de vue thermodynamique car l'augmentation d'aire due à l'ondulation augmente l’énergie de surface par rapport à celle de la surface plane moyenne initiale. Si la température est suffisante, il y aura réarrangement des atomes de surface pour restaurer une face plane. Plusieurs mécanismes de réarrangement sont possibles. L'un est par évaporation des parties convexes et recondensation sur les parties concaves, l'autre par simple diffusion de surface depuis les parties convexes vers les parties concaves.
Lors d'une expérience de restauration de surface (également appelée dans la littérature guérissage de surface ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ASHCROFT (A.), MERMIN (N.) - Physique des solides. - EDP Sciences, 986 pages (2002).
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(2) - LAPLACE (P.) - Mécanique Céleste. - Livre X, Courcier, Paris (1805).
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(3) - KERN (R.), MULLER (P.) - * - . – Surface Science, 392, 103 (1997).
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(4) - MULLER (P.), KERN (R.) - * - . – Surface Science, 457, 229 (2000).
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(5) - HEYRAUD (J.C.), METOIS (J.J.) - * - . – Journal of Crystal Growth, 50, 571 (1980).
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(6) - MOTTET (C.) et al - * - . – Phase transitions, 77, 101 (2002).
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