Différentes techniques de caractérisation expérimentales utilisées

Les NPs de PbS synthétisées dans le cadre de ce travail ont été caractérisées par différentes techniques de caractérisation structurales, morphologiques et optiques.

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3.1.4.1 Caractérisations structurales et morphologiques  Diffraction des rayons X (DRX)

Le DRX est une technique qui permet de déterminer la structure des films, d’identifier leur phase cristalline, de déterminer leur degré de cristallinité et leur orientation cristalline. Typiquement, un spectre de diffraction est composé de pics, positionnés aux angles où la loi de Bragg est satisfaite. Chaque spectre de diffraction est caractéristique du matériau. En utilisant la largeur à mi-hauteur (Δθ) des pics, on peut estimer la taille (D) des cristallites à partir de la formule de Debye-Scherrer [45] :

Eq 3-2

𝐷 =

Δθ cos 𝜃

avec λ = 0.154 nm la longueur d’onde des rayons X, 𝜃 le demi-angle de la position du pic de diffraction. Le diffractomètre utilisé dans cette étude est le Panalytical X-Pert PRO MRD.

 Microscopie électronique à transmission (MET)

La MET ou en anglais transmission electron microspopy (TEM) est une technique d’imagerie dont les principes sont similaires à ceux d’un microscope optique sauf que le faisceau incident est un faisceau d'électrons accéléré et les lentilles sont des lentilles électromagnétiques. Dans notre cas, le faisceau d’électrons, accéléré par une tension pouvant atteindre 200 kV, est focalisé et transmis à travers une grille ultrafine de cuivre recouverte d’une couche ultrafine de carbone sur lesquelles sont déposées des NPs de PbS ou les NHs. La figure 3.2 illustre l’interaction entre un faisceau d’électrons et un échantillon.

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Généralement, la résolution limite (R) d’un microscope fonctionnant avec un rayonnement électromagnétique peut être exprimée par 𝑅 = 0.61𝜆 𝑛 sin 𝜃⁄ , avec 𝜆 la longueur d’onde du rayonnement, 𝜃 l’angle d’ouverture de la lentille objectif et n l’indice du milieu entre objet et objectif. Le produit 𝑛𝑠𝑖𝑛𝜃 est appelé ouverture numérique de l’objectif. L’hypothèse relativiste de De Broglie permet d’associer une longueur d’onde 𝜆 à tout objet de quantité de mouvement p et la relation qui lie 𝜆 et p s’écrit : 𝜆 = ℎ/2𝜋𝑝, avec h la constante de Planck.

Pour un faisceau d’électrons accélérés par une tension électrique V, 𝜆 s’écrit :

Eq 3-3

𝜆 =

√2𝑚𝑉𝑒(1+_2𝐸0𝑒𝑉)

Avec e et m respectivement la charge et la masse de l’électron, E0 = mc2. Comme on peut le remarquer plus la tension d’accélération est élevée plus la longueur d’onde associée aux électrons est courte. En conséquence, les microscopes électroniques à transmission peuvent atteindre des résolutions aussi petites que 0.8 Å, permettant ainsi de visualiser même les atomes sous certaines conditions. Le MET offre aussi la possibilité d’accéder à d’autres informations sur les échantillons tels que la structure cristalline avec la diffraction des électrons, la composition quantitative atomique avec l’analyse des rayons X émis. Dans cette étude, nous avons utilisé ces différentes fonctionnalités de la MET pour déterminer la taille des NPs, leur état cristallin, leur composition. Nos images MET sont obtenues principalement à l’aide du microscope JEOL JEM 2100F du laboratoire (CM)2 de l’école polytechnique de Montréal.

 Microscopie électronique à Balayage (MEB)

Un MEB ou en anglais scanning electron microscopy (SEM) est composé des mêmes éléments électromagnétiques qu’un MET mais avec un faisceau d’électrons accéléré par une tension moins élevée que pour le MET (généralement jusqu’à 50 KV). Sa résolution ultime varie entre quelques nm et 10 nm. Les images obtenues par MEB permettent d’accéder assez rapidement à la surface des échantillons à partir de la détection des électrons secondaires (voir figure 3.2). Les images MEB des

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échantillons étudiés dans cette étude ont été obtenues principalement avec l’aide du microscope Jeol JSM-6300F de l’INRS-EMT.

3.1.4.2 Caractérisations optiques

 Absorption UV-visible-near-infrared (UV-vis-NIR)

Cette technique est basée sur la mesure de l’intensité (I) de la lumière transmise à travers une couche mince à différentes longueurs d’ondes (λ). Une lampe spectrale émettant dans l’UV, le Visible, et l’IR est placée devant un monochromateur. La mesure de l’intensité en fonction de la longueur d’onde (I(λ)) avant et après l’échantillon permet d’obtenir le spectre d’absorption sur une plage donnée de longueurs d’onde. A partir des spectres d’absorption des échantillons, on peut déduire notamment la valeur de la bande interdite des matériaux semiconducteurs. Les spectres d’absorption obtenus dans cette étude ont été mesurés à l’aide d’un spectrophotomètre (Varian) Cary 5000 ultraviolet (UV)-visible (vis)-near infrared (NIR) balayant à la vitesse de 600 nm/min. Les mesures d’absorption UV-vis ont été faites sur des NPs de PbS et sur des NHs déposés sur des substrats de quartz.

 Photoluminescence (PL)

Le confinement quantique dans les NPs semiconductrices se manifeste souvent par une émission de lumière à la suite d’une excitation lumineuse. La longueur d’onde de la lumière émise dépend directement de la taille des NPs. Le principe de la PL peut se résumer en l’excitation d’un électron par un photon d’énergie supérieure ou égale à la bande interdite, de manière à ce que l’électron se retrouve dans la bande de conduction. Lors de la désexcitation - recombinaison électron-trou -, un photon est émis. L’acquisition du spectre des photons émis permet d’avoir le spectre de photoluminescence. Pour les NPs semiconductrices, un décalage du pic de PL indique par conséquent une variation de la taille des NPs.

L’appareillage de mesure de la PL utilisé dans le cadre de cette thèse est un Fluorolog-3 system (Horiba Jobin Yvon) constitué principalement d’une lampe au xénon pour l’excitation, d’un monochromateur et de plusieurs détecteurs. Dans notre cas, nous avons utilisé le détecteur infrarouge pour détecter l’émission des NPs de PbS. Le monochromateur permet de sélectionner la

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longueur d’onde d’excitation. Dans cette étude notre longueur d’onde d’excitation est de 375 ± 5 nm. Cette valeur a été choisie après une étude préalable du spectre d’excitation.