EAM Lennard-Jones

Le troisième et dernier potentiel utilisé durant ma thèse est une combinaison des potentiels EAM et du potentiel de Lennard-Jones (EAM-LJ).

Les interactions Fe-Fe et Au-Au seront décrites par le potentiel EAM, et l’interaction Fe-Au sera décrite par le potentiel de Lennard-Jones.

Figure 3.2 – Rapport des énergies d’interface R en fonction du paramètre epsilon pour le potentiel de Lennard-Jones pour une valeur de σ = 2.3 Å.

Les paramètres utilisés pour le fer et l’or dans le potentiel EAM ont été conservés, alors que les paramètres σ et  du potentiel de Lennard-Jones ont été optimisés. Comme ex-pliqué dans la partie 2, afin d’avoir une nanoparticule en configuration coeur-coquille, il est important que l’énergie d’interface des deux métaux soit plus favorable que les énergies de surface de chaque metal. Pour que la croissance de la nanoparticule soit la plus réaliste possible, il faut que la hiérarchie des énergies de surface et d’interfaces obtenue par les calculs DFT soit respectée. C’est-à-dire que pour le fer, la surface (111) doit avoir l’énergie la plus grande, puis la surface (100) et finalement la surface (110) qui doit avoir l’énergie la plus faible [134, 155].

Les résultats de la DFT ainsi que les observations expérimentales [108] ont permis d’orienter le choix des paramètres pour ce potentiel, les conditions suivantes ont donc été recherchées : pour les énergies d’interface, l’interface γ_100/100^{F e/Au} doit être la plus faible énergétiquement, suivie de l’énergie d’interface γ^{F e/Au}_110/111, puis de l’énergie d’interface γ_100/111^{F e/Au} .

γ_100/100^{F e/Au} et γ_110/111^{F e/Au} ne doivent pas être trop éloignées, tandis que γ_100/111^{F e/Au} doit avoir un peu plus d’écart d’énergie avec les deux autres car très défavorisée et non observée en

3.5. Les différents potentiels utilisés

expérience. De plus γ_100/100^{F e/Au} et γ_110/111^{F e/Au} , doivent être inférieures aux énergies de surface du fer pour favoriser la formation d’interface et non la ségrégation des deux métaux. Les paramètres retenus pour ce potentiel sont σ = 2.3 Å et  = 0.2 eV. Les énergies de surface de l’or et du fer calculées avec ce potentiel sont présentées dans la partie 5.1 ainsi que la variation de l’énergie d’interface en fonction des paramètres  et σ.

- Conclusion

Toutes ces techniques numériques ont permis l’étude théorique de la morphologie et de la croissance des nanoparticules coeur-coquille Fe@Au. Le code de croissance développé par F. Calvo a permis de réaliser une simulation de la croissance des atomes d’or autour du coeur de fer dans le but d’étudier la morphologie de la nanoparticule en fonction de la quantité d’or ajoutée. En complément de cette croissance, des simu-lations de type Monte-Carlo ont été réalisées sur des structures issues de la croissance afin de minimiser l’énergie du système et converger vers la forme d’équilibre. Afin de calculer les énergies de surface et d’interface (les calculs sont expliqués dans la partie 5) et de construire les coeurs de fer nécessaires pour débuter la croissance, la dyna-mique moléculaire ainsi que de la relaxation de type gradient conjugué ont également été utilisées.

Toutes ces techniques ont permis la réalisation de nombreuses études dont les résultats seront présentés dans les chapitre suivants.

Deuxième partie

Formation de nanoparticules

coeur-coquille Fe@Au

Chapitre 4

Résultats expérimentaux

Les nanoparticules Fe@Au ont été synthétisées par pulvérisation cathodique sous ul-travide, et les mécanismes de croissance ainsi que la morphologie de ces dernières ont été étudiés en faisant varier différents paramètres lors de la synthèse. La morphologie finale des nanoparticules ainsi obtenues a été étudiée à l’aide de différentes techniques de microscopie électronique en transmission telles que la microscopie électronique en mode haute résolution ou encore en mode STEM-HAADF.

Dans un premier temps, une étude a été réalisée afin de trouver les conditions de synthèse permettant la reproduction des nanoparticules obtenues précédemment dans l’équipe [108]. Nous rapportons ensuite ici les résultats de trois études principales sur la synthèse de ces nanoparticules :

- l’évolution de la morphologie du coeur de fer en fonction de la quantité d’or déposée. - l’évolution de la morphologie des nanoparticules Fe@Au en fonction des volumes de métaux déposés.

- l’influence du mécanisme de croissance sur la morphologie des nanoparticules Fe@Au. Pour finir, les propriétés magnétiques des nanoparticules ainsi synthétisées ont été ex-plorées. De plus, leur application comme catalyseur a également été testée.

Dans le chapitre qui suit, les échantillons synthétisés seront appelés Fe_xAu_y, avec x et y l’épaisseur nominale déposée de chaque métal, en nm. Cette épaisseur est dé-terminée grâce à la calibration de couches minces réalisée par réflectométrie des rayons X. En fixant un courant, on réalise plusieurs échantillons de fer et d’or avec des temps

de dépôt différents. Les mesures par réflectométrie des rayons X nous permettent de déterminer l’épaisseur de la couche, ce qui nous permet de calculer la vitesse de dépôt pour un courant fixe. Il est important de noter que les calibrations ont été réalisées à température ambiante et sur un substrat de verre, or nos synthèses seront réalisées en température et en utilisant d’autres types de substrat. Le coefficient de collage et le taux d’évaporation seront de ce fait différents. Ces calibrations sont donc un point de repère afin de comparer des échantillons entre eux mais n’indiquent pas forcément la bonne quantité de matière dans les échantillons.

4.1 Conditions de synthèse

Les études expérimentales réalisées durant cette thèse ont pour objectif de comprendre l’origine de la morphologie des nanoparticules Fe@Au obtenues précédemment [108] et d’étudier l’influence de certains paramètres sur cette structure. Ces nanoparticules adoptaient une morphologie intéressante et très particulière avec un coeur de fer cu-bique et des pyramides tronquées d’or sur chaque face du cube. Les nanoparticules avaient été synthétisées par pulvérisation cathodique avec les conditions suivantes : les nanoparticules sont enrobées dans un diélectrique et synthétisées à partir d’un dépôt séquentiel (fer suivi de l’or) sur un substrat de NaCl. Le flux d’argon utilisé dans les synthèses est de 50 sccm (Standard Cubic Centimeters per Minute), la pression de 0.5 Pa, et la température de dépôt est de 800^◦C.

La figure 4.1 représente les étapes réalisées lors d’une synthèse et un schéma repré-sentant le système ainsi étudié est montré figure 4.2.

L’utilisation d’un diélectrique pour enrober les nanoparticules permet de jouer le rôle de pompe à oxygène et donc prévient l’oxydation des nanoparticules. De plus, il permet de prévenir la dispersion des nanoparticules, si ces dernières présentent un caractère volatile.

Dans un premier temps, nous avons cherché à reproduire la morphologie de ces na-noparticules en ajustant si nécessaire les conditions de synthèse. Les objectifs sont à la fois d’obtenir une distribution en taille monodisperse pour la représentativité de l’échantillon, une taille moyenne de 10 nm et une morphologie présentant des coeurs de fer cubiques recouverts de pyramides d’or tronquées.

4.1. Conditions de synthèse

Figure 4.1 – Succession des étapes présentent lors d’une synthèse de nanoparticules Fe@Au.

Figure 4.2 – Schéma en section transverse des éléments qui composent le système étudié.