L’oxyde de zinc, ZnO

5 décembre 2006

Synthèse par transport en phase vapeur

Précurseurs : ZnO + réducteurs (C) + catalyseurs (SnO2,…)

Plusieurs directions de croissance

Contrôle cinétique qui dépend des conditions expérimentales (température)

Croissance des cristaux de ZnO

face Zn-(0001) chargée positivement

face O-(0001) chargée négativement-

Évaporation thermique de ZnO à 1400°C

fibres longues (≤ 1 mm)

Rubans rectangulaires

Largeur et épaisseur uniformes tout le long du ruban (l ≈ 50 à 300 nm - e ≈ 10 à 30 nm)

croissance le long de [0110]-

2 µm

T°C

O2%

On peut modifier la morphologie en jouant sur la température ou la pression partielle d’oxygène

20 µ

50 µ

10 µ

10 µ

nanobelts

La nature du produit obtenu dépend de la position du substratet donc de la température de dépôt

ZnOsubstrat

Zn ZnO

200°C 400°C300°C

Nano-rubans formés d’un cœur de Zn recouvert de ZnO

ZnO(s) ZnO(g)

ZnO(g) Zn(g) + 1/2O2(g)

ZnO se décomposeZn se dépose

et s’oxyde en ZnO

dissociation de ZnO

dépôt de Zn et oxydation

oxydation superficielle et vaporisation du cœur de Zn

600°C - 6hVue de dessus

Vue latérale

Nano-rubans sur substrat planL ≈ 10-20µm - l ≈ 300-400 nm

e ≈ 3-4 nm

nanotubes

Photo-luminescence de ZnO

UV

visible

Forte photoluminescence à 387 nm

Confinement quantique

Spectres de photoluminescencedéplacement vers le bleu

quand la largeur devient très petite

excitation à 330 nm (Xe)

ZnO - MOSFET

Transistor à effet de champ

I = f(V)

Structure non centro-symmétrique = piezo-électrique

Effet piezo-électrique

Zhao, Wang, Mao, Nano Lett. 4 (2004) 587

d33

cristal

ruban

Bulk Acoustic Resonator Based onPiezoelectric ZnO Belts

Brent A. Buchine,† William L. Hughes,† F. Levent Degertekin,‡ andZhong L. Wang*,†

un signal RF engendre une déformation mécanique

résonance quand e = /2

filtre électronique

Nature Materials, 4 (2005) 455

Bâtonnet et ruban interpénétrés

Souplesse des nano-rubans de ZnO

L’extrémité des rubans est repliée

Anneaux & Hélices

Zn2+

O2-

Zn2+

O2-

Alternance de plans Zn2+ et O2-

Coupure des liaisons les plus longues

Rubans polaires

face Zn2+ (0001) chargée positivement

face O2- (0001) chargée négativement--

+

Zn2+

O2-

Surfaces polaires Polarisation le long de l’axe c

plan positif

plan négatif-

+

Journal of Physics: Conference Series 26 (2006) 1

Zhong Lin Wang

Nanosprings, nanospirals : ressorts et hélices

Rubans peu épais (5-20 nm) et souples

Faces polaires (≈ capacitance)

+ + + + + + + +

- - - - - - - - - -

Les rubans polaires ont tendance à s’enrouler pour diminuer leur énergie électrostatique

Anneaux fermés

1µm

Anneaux monocristallinsde ZnO

(a) le ruban tend à se courber en s’allongeant pour diminuer la surface polaire

(b) compensation des charges + et -

(c) le ruban s’enroule en hélice

(d) la hauteur augmente progressivement pour donner un cylindre

anneau ressort

La forme finale dépend de la compétition énergie électrostatique - énergie élastique

Enroulement en hélice

nanohélices

spirales

ressort

anneau

Élément de base pour construire l’hélice (building block)

Formation des nano-hélices

plans Zn2+

plans O2-

hélice

Rotation de 60° à chaque étape

axe C6

Hélices ‘ droite ’ et ‘ gauche ’

Les nano-hélices sont déformables

Déformation réversible des nanohélices(mémoire de forme)

Nouvelle famille de céramiques à mémoire de forme !

Torsion de l’hélice