| | | | | | | webmail : intra-extra| Accès VPN| Accès IST| Contact | English
Univ. Paris-Saclay
Assemblage dirigé de nanocristaux métalliques
Farid Kameche
SPEC/LEPO
Vendredi 25/09/2015, 14:00-17:00
Campus Jussieu Université Paris VI, Amphi 45B

Résumé :

Dans le défi que représente l’augmentation de la capacité de stockage de l’enregistrement magnétique, la maîtrise du support porteur de l'information est primordiale. Actuellement de l’ordre de plusieurs dizaines de nanomètres, l'objet portant le bit élémentaire pourrait être réduit à une simple nanoparticule magnétique de quelques nanomètres. La capacité de stockage serait alors augmentée de deux à trois ordres de grandeurs.

Dans cette voie, il est crucial d’avoir un parfait contrôle de l'organisation bidimensionnelle de ces nanoparticules, qui résulte de plusieurs interactions, telles que les forces de van der Waals, les répulsions stériques et les interactions entre la nanoparticule et le substrat. D’autres paramètres, comme la taille et la forme des nanoparticules, influent aussi fortement sur cette organisation et son arrangement périodique :  pour des nanocristaux sphériques supérieures à 4 nm, un réseau hexagonal compact est usuellement observé. Lorsque les nanoparticules sont de taille inférieure, on observe généralement une très faible organisation globale des nanoparticules, du fait de la faible intensité des interactions de van der Waals. Pour améliorer l'ordre, il faut aussi que les nanocristaux soient homogènes en taille et en forme. Parmi les nanoparticules métalliques possibles pour des applications d’enregistrement magnétique, nous pouvons citer le CoPt et le CoPt2, qui possèdent des constantes d’anisotropie magnéto-cristalline élevées. Nous avons alors travaillé sur la synthèse de ces deux nanoalliages selon deux voies de synthèse.

Dans un premier temps, nous avons utilisé la synthèse par transfert de phase liquide-liquide (TPLL) qui a déjà été employée au laboratoire, pour synthétiser des nanoparticules de platine et de CoXPt100-X, de tailles et formes contrôlées. Nous avons repris cette synthèse pour comprendre les cinétiques de réduction mais aussi pour synthétiser du PdXPt100-X, de taille et composition contrôlée. Néanmoins, les possibilités de contrôle de taille sont limitées par cette méthode. De plus, il est nécessaire d’obtenir des quantités plus importantes de nanoparticules pour développer les applications de production. Dans un second temps, nous avons utilisé la méthode polyol pour synthétiser dans de plus grande quantité des nanoparticules de CoXPt100-X.

Bien qu’elles soient simples et faciles à mettre en œuvre, ces synthèses donnent des nanocristaux désordonnées chimiquement, induisant alors de faibles propriétés magnétiques. C’est pourquoi nous avons étudié la mise en ordre chimique des nanocristaux de Co50Pt50 et Co33Pt67 obtenues par la synthèse TPLL et polyol. Par des études de recuit in-situ, nous avons pu mettre en évidence l’influence de la nanocristallinité sur la mise en ordre chimique des nanoalliages de type CoPt. Il est ainsi possible d’abaisser notablement la température de mise en ordre et de préserver les nanocristaux de la coalescence lors du recuit chimique. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives quant à l’utilisation de ce type de nanoalliages dans les systèmes pour l‘enregistrement magnétique haute densité. Un autre verrou technologique à l’utilisation de tels nanocristaux de très petites tailles réside dans leur faible capacité à s’auto-organiser à deux ou trois dimensions. La clé est alors l’utilisation de molécules organiques capables de s’auto-assembler sur substrat plan. Grâce aux réseaux moléculaires nanoporeux (tamis moléculaire), nous avons obtenu un assemblage dirigé de nanoparticules métalliques de 2 nm. Les nanocristaux peuvent être organisés selon des réseaux quasi-hexagonaux ou monocliniques.

Mots-clés : synthèse chimique, nanoparticules métalliques, CoPt, mise en ordre, assemblage dirigé, tamis moléculaire.

 


Directed assembly of metallic nanocrystals

Abstract :

Increasing data storage on hard disks is a challenge that requires a high degree of control of bi-dimensional structure of the support. Although the current size for a data bit is around a few tens of nanometers, it could be reduced to the nanometer scale simply through using magnetic nanoparticles. This could lead to an increase of data storage from two to three orders of magnitude.

Thus, it is then essential to have extremely fine control of nanoparticles’ two-dimensional organization. Interaction, such as van der Waals forces, steric repulsions and nanoparticle-substrate interactions have a direct incidence on their bi-dimensional arrangement. Furthermore, intrinsic parameters of the nanoparticles such as their sizes, shapes and chemical compositions also have a direct incidence on their periodic arrangement: in the case of particles larger than 4 nm, compact hexagonal lattices are usually observed. However, if their sizes are kept below 4 nm, because of weakest van der Waals interactions due to smaller sizes, a significant loss of periodicity at long range is observed. To improve their order in two dimensions, nanocrystals must have the same shape and a very low size dispersion. For magnetic recording applications, two materials exhibiting a high magneto-crystalline anisotropy are of importance: CoPt and CoPt2. Hence, we developed two different chemical routes to synthesize those materials.

First, liquid-liquid phase transfert synthesis (LLPT) was used to produce CoPt, similarly to what was reported for the synthesis of platinum and CoXPt100-X nanocrystals; this route is well known to enable good control over the size of the final products. The same protocol was used to synthesize PdXPt100-X nanocrystals; an in-depth understanding of the reaction mechanism was reached through careful analysis of all intermediaries throughout the reaction. However, the control of the size remained quite challenging, highlighting the need to develop another method; hence, thermal decomposition in the presence of polyols reducers was investigated. This second procedure was shown to successfully produce CoXPt100-X nanoparticles with a low size distribution (10%).

However, regardless of the chosen synthetic route, CoPt nanoparticles (by opposition to the bulk form) exhibit low blocking temperature and consequently low magneto-crystalline anisotropy due to the formation of the metastable phase A1. In order to display a higher magneto-crystalline anisotropy for data storage applications, chemically ordered CoXPt100-X nanoparticles should be required. For this purpose, the influence of in situ annealing processes on the chemical structure of Co50Pt50 and Co33Pt67 nanoparticles synthesized through LLPT and polyol synthesis was studied. Unexpectedly ordering occurred more than 300°C below the phase transition temperature value of the bulk while sizes and shapes of the Co33Pt67 nanocrystals remain unchanged.

Nonetheless, only poor mesoscopic ordering between nanoparticles is observed, as reported elsewhere. This hurdle could be overcome in using organic molecules able to self-assemble onto graphite and forming a porous two-dimensional supramolecular template. Thus, such template was designed and used to demonstrate that 2 nm Pt nanoparticles can locally organize in quasi-hexagonal or monoclinic lattices.

Key words: chemical synthesis, metallic nanoparticles, CoPt, ordering, directed assembly, two-dimensional supramolecular template.

Contact : Fabrice CHARRA

 

Retour en haut