23 septembre 2014
Spectroscopie de photoélectrons X sur des nanoparticules libres
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Une équipe de recherche du CEA Iramis, du Synchrotron SOLEIL, de l’Institut Lavoisier de Versailles (UVSQ / CNRS) et de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université Rennes 1) a mis au point une méthode de "lentille aérodynamique" qui permet d’observer des nanoparticules libres, sans interférences avec un substrat. Il est ainsi possible de caractériser spécifiquement la surface des nanoparticules. Les perspectives sont nombreuses, en particulier pour suivre et maitriser l'élaboration de nanoparticules fonctionnalisées, aux applications très prometteuses dans les domaines du biomédical ou de l’énergie. L’étude est publiée dans le Journal of Physical Chemistry Letters.

 

La spectrométrie conventionnelle de photoélectrons utilisant des rayons X (XPS) est la technique la plus utilisée pour étudier la surface d’un matériau. Elle donne en effet des informations sur la composition chimique sur une fine épaisseur, de quelques dizaines de couches d’atomes.

Pour étudier la surface de nanoparticules, il était jusqu’à présent nécessaire de les déposer sur un "support", un substrat. Mais les interactions entre les nanoparticules et le substrat, couplées à des effets de charge de l’échantillon, rendent l’interprétation des données XPS difficile.

Pour s’affranchir de ces perturbations, les équipes du CEA Iramis, du Synchrotron SOLEIL, de l’Institut Lavoisier de Versailles (UVSQ / CNRS) et de l’Institut de Physique de Rennes (CNRS/Université Rennes 1) ont conçu et développé un nouveau dispositif expérimental.

Des nanoparticules de silicium (diamètre moyen : 14 nm) ont été synthétisées par pyrolyse laser au NIMBE/LEDNA et préalablement oxydées à l’air ambiant avant leur caractérisation auprès du synchrotron. Un jet bien collimaté de ces nanoparticules est obtenu à l’aide d’une lentille aérodynamique. Dans ce dispositif, un ensemble de collimateurs entrainent une succession de compressions et détentes d'un gaz porteur (argon), qui permet la collimation d'un jet de nanoparticules en aérosol. Sous un vide poussé, le faisceau de nanoparticules obtenu croise un faisceau de rayons X de basse énergie de la ligne de lumière PLEIADES du Synchrotron SOLEIL. La zone d'interaction entre le jet de nanoparticules libres et le faisceau de rayons X est parfaitement définie spatialement et temporellement.

 
Spectroscopie de photoélectrons X sur des nanoparticules libres

Dispositif expérimental : un jet de nanoparticules collimaté par un dispositif de lentilles aérodynamiques (diamètre du faisceau de 80 µm), interagit avec le faisceau de lumière synchrotron issu de la ligne de lumière PLEIADES (rayons X mous). Un spectromètre analyse en énergie les électrons photo-émis, issu des niveaux de coeur des atomes à la surface des nanoparticules.

La méthode proposée permet de discriminer les effets uniquement dus à la nanostructuration de la matière en s’affranchissant de tout effet parasite lié à la présence d'un substrat. On peut ainsi montrer par exemple que l'interface entre la couche d'oxyde SiO2 externe et le silicium du coeur n'est pas abrupte mais présente une transition continue sur une épaisseur inférieure à 1 nm (voir figure).

 
Spectroscopie de photoélectrons X sur des nanoparticules libres

Spectre XPS de nanoparticules de Si oxydées de 14 nm. L'interface Si/SiO2 apparaît non-abrupte avec une contribution importante des états intermédiaires d'oxydation (Si+ - Si3+) par rapport aux états non-oxydés Si0 et totalement oxydés Si4+.

Cette nouvelle méthode est de plus extrêmement sensible à toute modification intervenant à la surface de nanoparticules. Elle ouvre ainsi de nouvelles possibilités pour mieux comprendre la chimie de surface d’objets complexes, comme les particules d’intérêt atmosphériques et les nano-objets fonctionnalisés, où des molécules actives sont "ancrées" à la surface des nanoparticules, en apportant des propriétés optiques ou physiques particulières, avec de nombreuses applications.

Référence :

X-ray photoelectron spectroscopy of isolated nanoparticles,
O. Sublemontier, C. Nicolas, D. Aureau, M. Patanen, H. Kintz, X. Liu, M.-A. Gaveau, J.-L. Legarrec, E. Robert, F.-A. Barreda, A. Etcheberry, C. Reynaud, J. Mitchell, C. Miron, J. Phys. Chem. Lett.5(19), (2014) 3399.

Communiqué commun CEA - CNRS/INC - synchrotron Soleil - Université de Rennes - UVSQ.

Contact CEA-IRAMIS : Olivier Sublemontier

Collaboration :

 
#2399 - Màj : 14/10/2014

 

 

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