Méthodes de synthèse de nanoparticules Fe-Co

En outre, le champ hyperfin, qui correspond à l’induction magnétique au noyau, est di-rectement proportionnel au moment magnétique. On retrouve donc un comportement si-milaire en fonction de la teneur en cobalt, comme illustré par la figureIII.4, à savoir un maxi-mum pour 30 % de cobalt [5].

Par ailleurs, comme tout matériau magnétiquement doux, les alliages Fe−Co possèdent une faible coercivité de l’ordre de 25 à 100 Oe [6]. Cependant, la coercivité dépend fortement de la microstructure du matériau notamment de la taille des grains, des défauts cristallins, des contraintes ou encore de la présence d’impuretés [7].

III.2 Méthodes de synthèse de nanoparticules Fe-Co

Les propriétés magnétiques des nanoparticules de Fe−Co sont très dépendantes de leur composition mais aussi de leur taille, forme et état de surface. De nombreuses techniques qui permettent de créer des nanostructures de Fe−Co de forme et de taille contrôlées, soit en réduisant la taille de macrosystèmes existants (méthode « top-down »), soit en créant des structures à l’échelle atomique ou moléculaire (méthode « bottom-up »), ont été rapportées dans la littérature. Les plus connues sont décrites ci-dessous.

III.2.1 Synthèse par approche « Top-Down »

L’approche « top-down » consiste à fractionner un matériau massif jusqu’à obtenir des particules de taille nanométrique. Pour la fabrication de nanoparticules de Fe-Co via cette approche, la mécanosynthèse est l’une des méthodes les plus rapportées dans la littérature. La mécanosynthèse est un procédé de synthèse par broyage à haute énergie qui consiste à agiter plus ou moins violemment, des poudres d’éléments purs dans un broyeur en pré-sence de billes de broyage. Sous l’effet des collisions, les grains de poudres sont alternative-ment déformés plastiquealternative-ment, fracturés et recollées les uns aux autres, conduisant à un mé-lange des différents constituants. Sirvent et al. [8] ont réalisé la synthèse de l’alliage Fe₆₅Co₃₅ à partir de poudres élémentaires de Fe (325µm) et de Co (2 µm) dans un broyeur à billes planétaire. Un minimum de 3 h de broyage a été nécessaire pour obtenir l’alliage Fe-Co. La poudre obtenue se présente sous la forme d’agglomérats irréguliers d’une quinzaine de mi-cromètres, comme illustré sur la figureIII.5a. Après 12 h de broyage, la taille moyenne de ces agglomérats diminue jusqu’à 8µm (figureIII.5b) mais croît de nouveau pour des durées de broyages plus longues.

FIGUREIII.5 – Images MEB de poudres de Fe-Co élaborées par mécanosynthèse pour une durée de broyage de (a) 3 h et (b) 12 h [8]

Bien que la mécanosynthèse soit simple à mettre en œuvre et qu’elle permette de pro-duire de manière fiable de grandes quantités de matière, le principe même de cette méthode rend difficile le contrôle de la taille et de la morphologie des particules. De surcroit, comme le présente le tableauIII.1, l’obtention de particules nanométriques non agglomérées s’avère difficile.

TABLEAUIII.1 – Aperçu des résultats de la synthèse de nanoparticules de Fe−Co par mécanosynthèse

Durée de broyage

Fe/Co Taille des particules (µm) Taille des cristallites (nm) Ms (emu·g⁻¹) Référence 24h 50/50 – 15 215 Azzaza et al. [9] 36h 60/40 – 13 – Bergheul et al. [10] 30h 70/30 – 10-15 230 Kim et al. [11]

30h 70/30 – 11-16 225 Zele ˇnáková et al. [12]

12h 65/35 8µm – 235 Sirvent et al. [8]

70h 50/50 1-9µm – 215 Li et Ramanujan [13]

III.2. Méthodes de synthèse de nanoparticules Fe-Co

III.2.2 Synthèse par approche « Bottom-Up »

Contrairement à l’approche « Top-Down », cette approche consiste à construire des na-noparticules par des processus de nucléation et de croissance à partir d’atomes isolés. Elle repose généralement sur des processus de transformations physico-chimiques suivant deux types de réactions : la décomposition et la réduction chimique. Ces deux réactions peuvent avoir lieu en phase gazeuse, liquide ou solide.

Les transformations en phase liquide, connues sous le nom de « chimie colloïdale », sont particulièrement intéressantes grâce à la souplesse des procédés de synthèse permettant de varier un grand nombre de paramètres. Cela permet d’élaborer une variété importante de composés avec un contrôle facile de la composition, de la taille et de la morphologie des particules à faible coût et à grande échelle. Ces procédés sont largement utilisés pour la synthèse de nanoparticules de Fe-Co.

III.2.2.1 Décomposition organométallique

Cette méthode consiste en la décomposition de complexes organométalliques par ther-molyse, photolyse ou sonochimie. Ces complexes, étant métastables, se dissocient facile-ment pour libérer le métal à son état de valence nulle formant ainsi des centres de nucléation des nanoparticules métalliques.

De nombreux précurseurs ont été utilisés pour la synthèse de nanoparticules de FeCo via cette approche, tels que le Fe(CO)₅ et le Fe(N(Si(CH₃)₃)₂)₂ pour le fer et les Co(CO)₈, Co(η₃−C₈H₁₃)(η₄−C₈H₁₂), et Co(N(SiMe₃)₂)₂pour le cobalt. Outre le choix des précurseurs, Desvaux et al. [15] ont aussi démontré l’importance des surfactants, de l’atmosphère et de la température pour ce type de synthèse. La figure III.6présente des nanoparticules obte-nues par la décomposition du Co(η3−C₈H₁₃)(η4−C₈H₁₂) et du Fe(CO)₅à 150 °C sous une at-mosphère réductrice de dihydrogène en présence deHexadecylamine(HDA),Acide oleïque

(AO) etAcide stéarique (SA) comme surfactants. Ces particules sont parfaitement mono-disperses avec une taille moyenne de 15 nm néanmoins elles présentent une faible aimanta-tion à saturaaimanta-tion (160 emu·g⁻¹). Cela est dû à la décomposition non simultanée des précur-seurs qui conduit à formation de structures inhomogènes et/ou de faible cristallinité.

Une étape supplémentaire de traitement thermique est donc nécessaire pour induire la diffusion interatomique du fer et du cobalt et ainsi former l’alliage Fe-Co. Comme montré sur les figuresIII.6b etIII.6c, ce recuit n’affecte pas la taille des nanoparticules et grâce à une

FIGUREIII.6 – Images MET de nanoparticules de Fe-Co obtenues par décomposition thermique (a) avant recuit [16], (b) et (c) après recuit [15] [17]

Cependant une couche de carbone, provenant des surfactants utilisés pendant la syn-thèse, se forme autour des particules. Ce résidu organique leur procure une protection contre l’oxydation mais dans le cadre de notre application, cela présente probablement un obstacle au couplage d’échange magnétique.

Le tableauIII.2résume les caractéristiques de nanoparticules de Fe-Co synthétisées via l’approche organométallique.

TABLEAUIII.2 – Aperçu des résultats de la synthèse de nanoparticules de Fe−Co par voie organométallique. *Aimantation à saturation en emu·g⁻¹FeCoextrapolée, ne tenant

pas compte de la matière organique

Précurseurs T_{Synt hèse} (°C)

Surfactants Fe/Co Taille (nm) Ms (emu·g⁻¹) TRecui t (°C) Taille (nm) Ms (emu·g⁻¹) Référence Fe(CO)₅ Co₂(CO)₈

160/Ar OLA 68/32 20 140 250/Ar 25 212 Ogawa et al. [18]

Fe(CO)₅ 150/H₂ HDA 60/40 15 160 500/Ar 15 220* Desvaux et al. [16] Co(η3 −C8H₁₃) AO Desvaux et al. [15] (η4 −C₈H₁₂) SA Desvaux et al. [19] Fe(CO)₅ Co₂(CO)₈

250/Ar OLA,DOA,

AO

45/55 11 192 600/Ar – 230* Wang et al. [20]

Fe(CO)₅ Co₂(CO)₈

275/N₂ AO,OLA 45/55 9 112 500/CH₄ 10 145 Tzitzios et al. [17]

L’approche organométallique permet d’obtenir des nanoparticules mono-disperses avec des tailles ajustables. Cependant, les précurseurs métalliques utilisés sont très sensibles à l’air et requièrent des conditions de manipulation drastiques. Cela implique des procédures de synthèse compliquées nécessitant de multiples étapes telles que la synthèse des pré-curseurs et la purification par sublimation sous vide.

III.2. Méthodes de synthèse de nanoparticules Fe-Co

III.2.2.2 Réduction de sels métalliques et métallo-organiques

Comparée à l’approche organométallique, où des précurseurs instables sont impliqués, la réduction chimique permet d’accéder à une plus grande variété de précurseurs stables, tels que les oxydes, les nitrates, les chlorures, les acétates et les acétylacétonates. Ainsi les procédures de synthèse par cette méthode sont plus simples et faciles à mettre en œuvre.

Le principe de la réduction chimique repose sur un transfert d’électrons de l’agent ré-ducteur vers les cations métalliques issues de la dissolution des précurseurs dans un sol-vant adéquat (aqueux ou organique). Retrousol-vant une valence nulle, les atomes métalliques constituent ainsi des centres de nucléation pour la formation des nanoparticules.

Cette méthode est de loin la méthode la plus utilisée pour la synthèse des nanoparticules de Fe-Co. Elle permet d’ajuster assez facilement la taille des particules notamment via l’utili-sation de surfactants ou le contrôle de la cinétique de réaction. Ce contrôle peut être réalisé en jouant sur les conditions de réaction telles que la nature du réducteur, la concentration des réactifs ou encore la température. Les agents réducteurs à base d’hydrure tels que le bo-rohydrure de sodium et le superhydrure, l’hydrazine et les polyols sont parmi les réducteurs les plus utilisés pour l’élaboration de nanoparticules de Fe-Co.