Caractérisation du potentiel électrostatique des nanodiamants

La méthode KFM permet de sonder le potentiel électrostatique d’une surface, qui va dépendre particulièrement de sa chimie superficielle. Par exemple, sur le diamant massif, B. Rezek et C.E. Nebel ont mis en évidence une différence de potentiel de 0.3 eV entre une surface hydrogénée et une surface oxydée, qui résulte de la différence d’affinité élec- tronique entre ces deux surfaces [231]. Cette technique a donc été utilisée sur les NDs afin d’évaluer l’effet de la terminaison de surface sur le potentiel électrostatique des NDs. Les expériences ont été réalisées en collaboration avec Bohuslav Rezek et Stepan Stehlik, dont l’expertise dans ce domaine a été particulièrement profitable.

Dans cette étude, des NDs ont été dispersés sur un substrat de silicium ou d’or. Un exemple d’image obtenue avec des NDs-COOH déposés sur une surface de silicium est présenté sur la figure 4.8 (a). On observe la présence de NDs individuels, ayant une taille de l’ordre de 5 nm, mais aussi d’agrégats ayant des tailles jusqu’à 50 nm. Il est important de rappeler que pour discuter la taille des objets mesurés en AFM, il faut se référer à la mesure de hauteur et non pas à la taille qui pourrait être mesurée dans le plan horizon- tal. Au niveau du signal KFM, mesuré avec une pointe en silicium, les NDs apparaissent comme des tâches sombres, indiquant une différence de potentiel négative et donc un travail de sortie plus élevé pour les NDs par rapport au substrat. Le potentiel des NDs semble dépendre de la taille des agrégats. Plus l’agrégat est important, plus la valeur du potentiel est élevée. On obtient ainsi une large distribution du potentiel en moyennant sur toute la surface caractérisée, ce qui est bien visible sur l’histogramme, ne permettant pas d’assigner une valeur de potentiel précise à une terminaison de surface particulière. Des images similaires ont été obtenues pour les NDs-H et NDs-sp2.

En traçant la dépendance du potentiel de surface en fonction de la taille des NDs ou des agrégats à partir des images de la figure 4.8, on observe qu’une relation linéaire existe entre ces deux grandeurs physiques (Figure 4.9 (a)). De plus, les bandes de confiance à 95 % sont très proches de la droite tracée, assurant la bonne fiabilité de cette régression linéaire. L’évolution relative de ce potentiel en fonction de la taille est similaire sur les substrats d’or ou de silicium, seule la valeur absolue du potentiel est modifiée. L’écart de 425 mV correspond à la différence de potentiel entre les deux substrats. En répétant l’expérience, cette fois-ci sur les NDs-sp2 et les NDs-H, la relation linéaire entre

4.3 Transferts de charges et potentiel électrostatique des nanodiamants

Figure 4.8 – (A) Image AFM de la topographie de NDs-COOH déposés sur une surface de silicium. La surface imagée est de 2 × 2µm2 (B) Image KFM correspondant à la même zone. Les histogrammes indiquant la hauteur et la valeur absolue du potentiel sont indiqués sous les images.

la taille et le potentiel électrique a aussi été observée sur les deux types de substrat, mais la pente diffère en fonction du type de terminaison des NDs (Figure 4.9 (b)). Ainsi, on obtient des pentes d’environ - 2.0, - 1.1 et - 0.7 mV/nm pour les NDs-sp2, les NDs-COOH et les NDs-H, respectivement. Le point d’intersection de ces droites est situé à une valeur de - 5 mV en extrapolant à une taille nulle.

Phénomènes d’adsorption et échanges électroniques à la surface des nanodiamants

Figure 4.9 – (A) Effet de la taille des NDs-COOH sur la différence de potentiel par rapport à un substrat d’or (orange) et de silicium (rouge) mesurée par KFM. Les bandes de confiance à 95 % sont tracées en vert. (B) Effet de la chimie de surface des NDs sur la différence de potentiel par rapport au substrat mesurée par KFM avec une pointe en silicium.

Plusieurs conclusions peuvent être tirées de ces observations. Le travail de sortie des substrats utilisés dans cette étude est de l’ordre 4.9 ± 0.1 eV pour l’or et de 4.6 ± 0.1 eV pour le silicium. Des études antérieures de B. Rezek ont montré qu’une surface de diamant massif hydrogéné présente un potentiel très proche de celui de l’or, au point qu’aucune

4.3 Transferts de charges et potentiel électrostatique des nanodiamants

différence de potentiel n’a pu être mise en évidence entre les deux matériaux par KFM [232]. Ainsi, il devrait donc y avoir un contraste négligeable pour les NDs-H déposés sur l’or, mais un contraste beaucoup plus important pour les mêmes NDs-H déposés sur un substrat de silicium. Ce n’est pourtant pas ce qui est observé, puisque le contraste est in- dépendant du substrat. Le même résultat a été obtenu avec des NDs-COOH ou NDs-sp2. Il apparaît donc que les NDs adoptent le potentiel électrostatique du substrat sur lequel ils sont déposés. De plus, cette étude révèle que la valeur du potentiel électrostatique dépend de la terminaison de surface des NDs et que ce potentiel augmente linéairement en fonction de la taille des NDs ou agrégats de NDs mesurés. Au niveau des terminaisons de surface, on observe que la différence de potentiel par rapport au substrat suit l’ordre suivant : NDs-sp2 > NDs-COOH > NDs-H.