Elaboration of metallic oxide nanostructures by microwave plasma afterglow for water splitting

Durant cette thèse, des couches minces de fer, de fer-cuivre et de cuivre-zinc déposées par pulvérisation magnétron ont été oxydées par des post-décharges plasma pour synthétiser des nanostructures d’oxydes métalliques. L’oxydation par post-décharge permet un abaissement de la température par rapport à l’oxydation thermique dans la mesure où l’oxygène moléculaire est excité ou dissocié, ce qui fournit des espèces plus réactives comme l’oxygène singulet ou l’oxygène atomique. Cette oxydation à température modérée favorise une croissance anisotrope des cristaux. L’oxydation de couches minces de Fe-Cu a conduit à la croissance de nanolamelles de Fe2O3 et de nanoparois, nanotours et nanofils de CuO. La distribution surfacique de ces nanostructures dépend de la température d’oxydation, de la concentration des espèces réactives et de la composition initiale de la couche mince. L’oxydation de couches minces de Cu-Zn a conduit à la croissance de nanofils ultra-minces de ZnO dans lesquels un confinement quantique peut se produire. Les nanostructures obtenues ont été caractérisées par différentes techniques (microscopies électroniques, diffraction des rayons X et spectrométrie de masse des ions secondaires). Les mécanismes de croissance de ces nanostructures sont basés sur le rôle des contraintes, de la température, de la concentration des espèces réactives ainsi que sur l’influence de la taille des grains sous-jacents. Les nanostructures d’oxydes métalliques obtenues serviront comme photocatalyseurs pour produire de l’hydrogène par photolyse de l’eau. Par ailleurs, les nanofils ultra-minces de ZnO serviront de photocatalyseurs pour la purification de l’eauIn this manuscript, metallic oxide nanostructures were synthesized by the oxidation of iron, iron-copper and copper-zinc thin films by means of a plasma afterglow. Thin films were deposited by magnetron sputtering. The use of plasma afterglows allows a lowering of the temperature compared with the thermal oxidation conditions, given that molecular oxygen is excited or dissociated, which provides more reactive species such as singlet oxygen or atomic oxygen. This oxidation at moderate temperature promotes anisotropic crystal growth. The oxidation of iron–copper thin films leads to the synthesis of Fe2O3 nanoblades and CuO nanowalls, nanotowers and nanowires. The surface distribution of these nanostructures depends on the oxidation temperature, the concentration of the reactive species and the initial composition of the thin layers. The oxidation of copper-zinc thin films leads to the synthesis of ultra-thin ZnO nanowires in which quantum confinement could occur. As-grown nanostructures were characterized by various techniques (electron microscopy, X-ray diffraction and secondary ion mass spectrometry). The growth mechanisms described for these nanostructures relies on the role of stress, temperature, reactive species concentration and on the effect of underlying grain size. As-synthesized nanostructures will serve as photocatalysts to produce hydrogen by water splitting. In addition, ultra-thin ZnO nanowires will also serve as photocatalysts for water purificatio