Academic literature on the topic 'Matériaux hybrides – Teneur en silicium'

Ce travail est consacré à l’élaboration de matériaux permettant le relargage contrôlé de molécules d’intérêt. Dans la première partie de ce projet, des synthèses d’hybrides organiqueinorganique de structure de type talc ont été réalisées avec différentes sources de silicium, ce qui induit des cristallinités et des degrés de condensation différentes des espèces siliciques. Ces hybrides ont ensuite été caractérisés. La présence d’acide folique (molécule d’intérêt) dans le milieu de synthèse permet son encapsulation dans l’hybride. L’incorporation d’acide folique n’induit pas de changements significatifs dans la structure des hybrides formés. Les différentes techniques de caractérisation ont permis de montrer que l’acide folique est peu mobile dans la structure et est donc bien encapsulé dans l’interfoliaire des hybrides. Au niveau du relargage, les hybrides induisent un relargage rapide, que ce soit dans l’eau ou dans un sol modèle. Les hybrides préparés à partir de N2TMS (N-[3-(triméthoxysilyl))propyl]éthylènediamine) permettent le relargage le plus rapide tandis que ceux synthétisés avec du C16TMS (Hexadécyltriméthoxysilane) présentent le relargage le plus lent. Ceci est attribué au caractère fortement hydrophobe de la chaine organique dans l’interfoliaire. La deuxième partie de la thèse a permis de tester plusieurs matériaux qui pourrait conduire à du relargage photo-contrôlé de principes actifs. Les matériaux hybrides synthétisés à partir de NBATES (3-(triéthoxysilylpropyl)-4-nitrobenzamide) ont montré des résultats prometteurs : sous irradiation UV à 254 nm, le taux de relargage d’une molécule modèle est en effet deux fois plus élevé qu’en absence de lumière. Pour les hybrides élaborés à partir de MCTES (O-4-methylcoumarinyl-N-[3-(triéthoxysilyl)propyl]carbamate), les meilleurs résultats ont été obtenus avec une irradiation UV à 365 nm. Les groupes fonctionnels photosensibles présents dans les hybrides de type talc permettent en effet de rendre les composites photosensibles. Ces résultats prometteurs pourront être développés par la suite pour des applications dans le domaine agricole
This work is devoted to the development of materials allowing the controlled release of molecules of interest. In the first part of this project, syntheses of organic-inorganic hybrids having a talc type structure were carried out with different silica sources, which induces variable crystallinity and polycondensation of silicic species. These hybrids were then characterized. The folic acid (molecule of interest) once added to the synthesis medium was encapsulated into the hybrid. The incorporation of folic acid does not induce significant changes in the structure of the hybrids formed. The different characterization techniques have shown that the folic acid is not very mobile in the structure and is therefore well encapsulated in the interlayer space of the hybrids. The hybrids showed a fast releasing kinetics, both in water or in a model soil. Hybrids prepared from N2TMS (N- [3-(trimethoxysilyl))propyl]ethylenediamine) showed the fastest release, while those synthesized with C16TMS (Hexadecyltrimethoxysilane) exhibited the slowest releasing kinetics due to the highly hydrophobic nature of the organic chain of the hybrid. The second part of the thesis was focused on finding and testing materials potentially active in the photo-controlled release of active molecules. The hybrid materials synthesized from NBATES (3-(triethoxysilylpropyl)-4- nitrobenzamide) have shown promising results: under UV irradiation at 254 nm, the quantity released of a model molecule was indeed two times higher than that measured in the absence of light. For the hybrids synthesized from MCTES (O-4-methylcoumarinyl-N-[3- (triethoxysilyl)propyl]carbamate), the best results was obtained under UV irradiation at 365 nm. The photosensitive functional groups present in the talc type hybrids made possible to obtain photosensitive composites. These promising results are the base for further developments in agricultural applications

De nos jours, l’Homme cherche principalement à gérer les énergies et leurs utilisations dans une perspective de développement durable. Parmi les différentes énergies renouvelables, la thermoélectricité semble être une solution de choix pour la conversion de la chaleur en électricité, améliorant ainsi les rendements thermiques. Les matériaux thermoélectriques pour les applications à température ambiante sont dominés par les matériaux à base de tellurure de bismuth (Bi2Te3) qui offrent la meilleure efficacité. Cependant, leur coût et leur toxicité empêchent leur développement à grande échelle. Ces dernières années, bien que possédant des caractéristiques thermoélectriques plus faibles que Bi2Te3, les matériaux polymères ont été envisagés comme une alternative prometteuse. L'objectif de cette thèse était donc de développer des matériaux polymères et hybrides (i.e. en combinaison avec des inorganiques) thermoélectriques performants dans le but de réaliser un générateur thermoélectrique efficace. Nous avons choisi d'étudier le PEDOT, le P3HT et le PCDTBT comme polymères, et le Silicium comme matériau inorganique. Plusieurs voies d'optimisation ont ainsi été explorées, soit en ajustant le niveau de dopage, soit en adaptant la surface des matériaux inorganiques et les interfaces. Des générateurs thermoélectriques hybrides (GTEs) ont été développés pour des applications proches de la température ambiante. Le couplage entre un matériau polymère et le silicium a notamment permis d’obtenir une amélioration significative des performances et d’atteindre une valeur record par rapport à l'état de l'art du domaine
Nowadays, human beings seek mainly to manage energy and their uses toward sustainable development. Among the various renewable energies, thermoelectricity is the solution for the conversion of heat losses into electricity, and therefore the improvement of thermal efficiency. Thermoelectric materials for room-temperature applications are dominated by bismuth telluride (Bi2Te3) based materials offering higher efficiencies. Nevertheless, their cost and toxicity prevent large-scale applications. In recent years, polymer materials have been considered as alternatives for Bi2Te3, although their thermoelectric properties are significantly lower. The aim of this thesis was therefore to develop an efficient thermoelectric polymer, in combination with an inorganic material in order to obtain an efficient thermoelectric generator. PEDOT, P3HT, and PCDTBT were chosen as p-type polymers and silicon substrates as semi-conducting inorganic materials due to their high importance and performance in their respective fields. Several optimization routes have been investigated, either by fine-tuning the doping level parameters or by tailoring the surface of the inorganic materials. Hybrid thermoelectric generators (TEGs) were developed for near room temperature application. The coupling with polymer material achieved to obtain an enhancement of device performances resulting in record value

La demande grandissante relative au transfert de données à très haut débit rencontre aujourd'hui les limites des systèmes ou circuits micro-électroniques. Il est actuellement admis qu'un transfert de données par flux lumineux permettra de significativement lever ces limites en terme de vitesse du point de vue de la communication inter- et intra-composants électroniques. Plus particulièrement, du fait de leurs propriétés intrinsèques, la combinaison de structures actives en semi-conducteur III-V et de structures passives en Silicium, dans un schéma compatible avec les procédés CMOS, ouvre d'intéressantes perspectives dans ce sens. Dans ce contexte, la présente thèse traite de la conception, la réalisation et l'étude de structures hybrides à deux niveaux composées de cristaux photoniques (CPs) en semi-conducteurs III-V couplés à un guide en Silicium. Les deux niveaux sont liés au moyen d'une couche intermédiaire de BCB. En premier lieu, l'opération laser, à faible seuil, couplée au guide de silicium sous-jacent est démontrée, aussi bien dans le cas de guides que de cavités CPs. Les caractéristiques optiques ainsi que les paramètres pertinents du système sont étudiés expérimentalement et confrontés au travail de modélisation mené en amont. Une extraction, via le guide de silicium, de la lumière émise dans le niveau actif atteignant 90% est ainsi démontrée. Cette valeur à été rendue, notamment, par le développement d'une technologie d'alignement spécifique, permettant une précision de ~25 nm, entre les deux niveaux. Enfin, l'observation de la bistabilité en régime de gain est présentée avant que soient discutées un certain nombre de perspectives
The ever-growing demand for high data transmission and processing rates is hitting the limits of microelectronic circuits and Systems. It is currently admitted that photons can significantly relieve the speed constraints of inter as well as intra-chip communications. More specifically, due to their inherent advantages, the hybridisation of III-V active and Si passive photonic structures, which are CMOS compatible, opens a new avenue for an exciting field of endeavour. In this context, the present thesis deals with fabrication and study in depth of a two level structure based on III-V photonic crystals (PhCs) evanescently coupled to silicon wires. The two levels are bonded together using an adhesive BCB-based bonding technique. Taking advantage of PhCs properties reasonably low threshold laser operation coupled to the silicon wire underneath is demonstrated, using both PhCs waveguides and wire cavities. The optical characteristics and coupling efficiencies of the System against various parameters were experimentally studied and the results successfully confronted to modelling, showing amongst other results that 90% of the light emitted in the top level is extracted via the silicon wire. Such a high value has been rendered possible by by an important work on modelling and the development of a specific alignment processing procedure providing an accuracy of ~ 25 nm. In conclusion, the observation of low-threshold bistability under gain regime is presented and numerous perspectives are discussed

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la réalisation et l’étude des cellules solaires PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium. Nos études ont porté essentiellement sur l’optimisation des structures hybrides à base de PVK ou de MEH-PPV mélangé dans leur volume avec une phase de nanofils de silicium, référant aux structures PVK/NFSi et MEH-PPV/NFSi respectivement. Cette étude a montré l’étroite interdépendance entre la morphologie des nanocomposites et les propriétés photovoltaïques des cellules réalisées. Nous avons étudiés l’influence de la concentration des nanofils de silicium sur le processus de dissociation des paires photo-générées. Nous avons également étudié l’effet des traitements thermiques et nous avons mis en évidence un meilleur transfert de charge dans le cas des structures PVK/NFSi. Nous avons aussi observé l’influence bénéfique de la désoxydation ainsi que le traitement de fonctionnalisation des nanofils sur l’amélioration du transfert de charge dans le cas des structures réalisées. En conclusion, nous avons montré que les cellules PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium peuvent être optimisées grâce à la compréhension et au réglage fin du transfert de charges
The work presented in this thesis focuses on the implementation and study of hybrid solar cells interpenetrating networks using silicon nanowires. Our studies have focused on the optimization of hybrid structures based PVK or MEH-PPV mixed in their volume with silicon nanowires phase, referring to structures PVK/NFSI and MEH-PPV/NFSI respectively. This study showed the close interdependence between morphology and properties of nanocomposites photovoltaic cells made. We studied the influence of the concentration of silicon nanowires on the dissociation process of photo-generated pairs. We also studied the effect of heat treatment and we have demonstrated a better load transfer in the case of structures PVK/NFSI. We also observed the beneficial effect of deoxidation treatment and functionalization of the nanowires on the improvement of charge transfer in the case of structures made. In conclusion, we have shown that the PV hybrid cell using silicon nanowires can be optimized through understanding and fine tuning of the charge transfer

Ce travail concerne l'élaboration de matériaux hybrides à base de matrices hôtes polymères et de nanocristaux de carbure de silicium (SiC) et l'étude de leurs propriétés électro-optiques. Dans ce contexte, différents échantillons de SiC ont été synthétisés par pyrolyse laser d'un mélange gazeux (silane, acétylène) et deux nanopoudres représentatives ont principalement été exploitées. Les études spectroscopiques ont révélé des états de surface différents, conditionnant les interfaces au sein du composite final. Le dépôt de films minces hybrides a été effectué à partir de suspensions précurseurs homogènes de qualité contrôlée, suivi de traitements thermiques et électriques appropriés. Enfin, au travers de l'étude de différents paramètres (concentration en nanocristallites SiC, état de surface, nature du polymère, etc.), la mesure des coefficients électro-optiques effectifs (Pockels et Kerr), par l'utilisation d'un montage adapté à la géométrie des échantillons, a révélé le rôle prépondérant de l'interface SiC-polymère sur la réponse des composites. Avec des coefficients électro-optiques effectifs de l'ordre de 5 à 7 pm/V, ces composites présentent des performances comparables à celle des cristaux électro-optiques standards et permettent d'envisager une application du système hybride SiC/polymère pour l'optoélectronique intégrée.

Des materiaux amorphes, hybrides organique-inorganique de type silsesquioxane ont ete elabores a partir de monomeres organosilicies polyfonctionnels. L'hydrolyse-condensation selon le procede sol-gel, de monomeres (ro)#3si-z-si(or)#3 comportant des espaceurs organiques z de nature differente, a ete etudiee. Des precurseurs organometalliques mono-, bi- ou trialcoxysilyles comportant des groupements #6-arene chrome tricarbonyle ont ete hydrolyses. Ils conduisent a des solides amorphes qui ont ete caracterises par des methodes spectroscopiques et macroscopiques. Les etudes ir, rmn #1#3c et #2#9si cp mas ont mis en evidence la conservation de l'entite organometallique au sein du solide sans rupture de la liaison silicium-carbone. Ceci est confirme par les analyses chimiques elementaires. Les surfaces specifiques bet de ces solides ont ete mesurees. Une etude du comportement thermique a ete effectuee. L'etude systematique de l'influence de cinq parametres intervenant dans les reactions d'hydrolyse-condensation a ete realisee. Les parametres etudies sont : la nature du precurseur organique, le catalyseur, le solvant, la concentration du precurseur et le groupement hydrolysable. Il ressort de cette etude que les solides hybrides organique-inorganique obtenus par voie sol-gel sont cinetiquement controles. Tous les parametres etudies entrainent des modifications des caracteristiques physiques (texture, porosite, hydrophilie) et chimiques (reactivite vis a vis de cr(co)#6). - la structure moleculaire du precurseur apparait comme un parametre fondamental : les precurseurs a motif organique rigide conduisent a des solides de surface specifique elevee et de faible reactivite chimique alors que le precurseur a motif organique plus flexible conduit aux resultats inverses. - les proprietes des solides semblent etre peu influencees par la nature du catalyseur. - le solvant entraine des modifications de la texture des solides (surface specifique). - la concentration du precurseur a une influence sur la texture et la reactivite chimique du solide. - le groupement hydrolysable (si-ome ou si-h) induit des modifications de texture des solides. Dans le cas de l'hydrolyse des silanes h#3si-z-sih#3, la nature du motif organique z a la meme influence sur les proprietes du solide que dans le cas des alcoxysilanes.

Des matériaux hybrides organiques-inorganiques mésostructurés ont été élaborés par deux voies différentes: le procédé sol-gel et l'assemblage de « briques » hybrides moléculaires. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à la synthèse directe de mésoporeux cubiques monofonctionnalisés (SBA-16) par voie sol-gel. Différents groupements organiques ont été insérés dans les pores du matériau (SH, CN, Cl, PO(OEt)2 et acac). Leur accessibilité a été mise en évidence par la complexation d'un lanthanide (europium) grâce aux fonctions acac, mais aussi par la croissance de nanoparticules d'or régulièrement distribuées dans les pores grâce aux groupements SH. Grâce à leur petite taille (2nm) et leur accessibilité, ces nanoparticules ont pu être utilisées en catalyse. Notre étude a ensuite été étendue aux matériaux mésoporeux bifonctionnels. La fonctionnalisation des pores et de la charpente de silices hexagonales (SBA-15) a été réalisée en une seule étape. Plusieurs fonctionnalités chimiques ont été insérées avec succès et ont permis le confinement intime de deux types de nanoparticules pouvant interagir entre-elles. Le matériau est alors qualifié d' « interactif ». Dans une dernière partie, nous avons développé une nouvelle approche de la synthèse de matériaux 3D organisés par assemblage de « cages » moléculaires hybrides (octasilsesquioxanes fonctionnalisés). Nous avons choisi des fonctions Cl, facilement convertibles en acides ou en ions et capables de s'auto-assembler par liaisons faibles (liaisons H) ou par forces coulombiennes. Nous avons également envisagé d'utiliser des « connecteurs » organiques comme le cyclame, capables de lier les différentes cages par liaison covalente et de fixer des ions métalliques
Mesostructured hybrid materials (organic-inorganic) were prepared according two different ways: the sol-gel process on the one hand, the assembly of molecular hybrid 'bricks' on the other. In the first part, we focused on the one-pot synthesis of monofunctionalised cubic silicas (SBA-16) through the sol-gel process. Different organic functions were successfully introduced within the pores of the material (SH, CN, Cl, PO(OEt)2 and acac). Their accessibility was brought to light by complexation of lanthanide salts (europium) by acac moieties, but also by growing of gold nanoparticles within the pores, regularly distributed thanks to the SH groups. Thanks to their small size (2 nm) and their high accessibility, these supported nanoparticles could be used as catalysts. Secondly, our study was extended to bifunctional materials. 2-D hexagonal silicas (SBA-15) were functionalised by one-step synthesis within both pores and walls. Several organic groups were covalently included within the structure, which then allowed us to confine very closely two kinds of nanoparticles, able to interact between themselves at nanometric scale. The bimetallic material is consequently qualified as 'interactive'. The last part was dedicated to a new approach for the synthesis of 3-D structured materials, consisting in the assembly of hybrid molecular 'cages' (functionalised octasilsesquioxanes). Chloro terminations were chosen because of their easy conversion into acid or ionic moieties, able to self-assemble, driven by weak interactions such as H-bonds or electrostatic forces. The use of organic “linkers” such as cyclam groups was also considered to connect cages and anchor metallic ions

Ce travail est une étude des effets de confinement sur les propriétés d'un cristal liquide thermotrope (le 4-n-octyl-4-biphenylcarbonitrile, 8CB). L'emploi de la forme colonnaire du silicium poreux ainsi que les membranes d'alumine poreuse a permis d'introduire un confinement suivant une direction préférentielle. Nous avons montré par microscopie électronique à balayage que ces deux matériaux poreux présentent une organisation fortement unidirectionnelle de l'ensemble des nanopores (diamètre moyen : 30 nm, longueur 30 μm). Le silicium poreux montre d'autre part une morphologie particulièrement désordonnée de la paroi interne des pores qui a permis d'induire des effets de champ aléatoire sur le système confiné. Le polymorphisme et le diagramme de phases du 8CB confiné ont été étudiés par calorimétrie à balayage (DSC), diffusion Raman et par diffraction de neutrons. La séquence de phase du 8CB confiné dans les alumines poreuses reste identique à celle du 8CB massif avec toutefois l’existence d’une phase cristalline métastable à basses températures. Le 8CB confiné dans le silicium poreux montre un comportement très différent. La présence de désordre aléatoire gelé dans les nanopores empêche la transition N-SmA et laisse place à une mise en ordre progressive d’une phase smectique dont l’ordre n’est plus qu’à courte portée. A plus basses températures, le système cristallise dans diverses phases métastables dont l’existence n’a pu être mis en évidence qu’en condition de confinement. L’ordre orientationnel des phases confinées a pu être décrit par diffusion Raman et par ellipsométrie spectroscopique. Ces deux techniques nous ont permis de mettre en évidence le fort couplage entre l’anisotropie des phases du cristal liquide et la géométrie 1D des nanocanaux. En dernier lieu, nous discutons de la dynamique du 8CB pur et confiné dans le silicium poreux déterminé par la diffusion quasiélastique de neutrons. En situation de confinement, la mobilité des molécules est particulièrement ralentie dès le domaine en température où le système bulk est en phase isotrope, soulignant la profonde perturbation de la dynamique des couches interfaciales.

Des materiaux amorphes hybrides organo-mineraux de type silsesquioxane rsio#1#,#5 ont ete elabores, par la voie sol-gel, a partir de monomeres organosilicies polyfonctionnels. Les solides obtenus sont microporeux et presentent de grandes surfaces specifiques. Les caracteristiques physiques et morphologiques dependent plus des conditions experimentales que de la structure et de la geometrie des precurseurs moleculaires simples etudies. L'influence d'interactions entre les molecules de precurseur sur l'elaboration du solide a egalement ete mise en evidence. La formation de gels a partir de precurseurs olefiniques est catalysee par des sels de pd#i#i. La coordination de molecules de precurseur sur le metal accelere notablement la polycondensation et conduit a des solides de tres faible porosite ou surface specifique. Un gel hybride contenant des unites complexe de transfert de charge terthiophene/tcnq a ete caracterise. Ce solide presente des caracteristiques tres differentes de celles de gels analogues obtenus en l'absence de tcnq. L'oxydation de la liaison si-c dans des gels a ponts thiophenylene a permis de mettre en evidence la formation de polythiophene au sein du solide amorphe. Ce couplage oxydant a ete etendu aux monomeres silyles en solution. L'oxydation anodique permet d'obtenir des polythiophenes dont les caracteristiques ir et raman revelent des longueurs de conjugaison tres elevees. Enfin, la liaison si-c labile dans des gels hybrides contenant des motifs 1,3-butadiyne a permis l'elimination du motif organique dans des conditions douces, ouvrant ainsi des perspectives pour l'elaboration controlee de gels inorganiques a partir de materiaux hybrides