Élaboration et caractérisation des films multicouches (métal-oxyde) nanostructures destinées à des applications photodégradation

Abstract

Notre thèse avait pour objectif d'améliorer l'efficacité de la photo-dégradation des films minces d'oxyde de zinc. Pour ce faire, nous avons exploré des systèmes bicouches composés de ZnO dopé au cobalt et de Co3O4. De plus, nous avons optimisé la méthode de dépôt en examinant l'impact du temps de dépôt et en mettant en œuvre un processus de pyrolyse par pulvérisation nébulisée à faible coût. Les résultats obtenus indiquent que :  L'analyse par diffraction des rayons X des films déposés à différents moments a révélé une structure hexagonale de type Wurtzite, avec un alignement préférentiel le long de l'axe c. L'examen au microscope électronique à balayage (MEB) a mis en évidence une microstructure uniforme et dense constituée de paillettes, présentant un nombre minimal de vides. Les spectres EDX ont corroboré la présence des éléments Zn, O, Si et Ca. Ces films se sont avérés hautement transparents, avec des émissions UV intenses accompagnées de cinq bandes visibles. Par ailleurs, des durées de dépôt plus longues ont entraîné une légère réduction de la bande interdite, passant de 3,270 à 3,241 eV.  Les échantillons de ZnO, qu'ils soient dopés au cobalt ou non, ont exhibé une structure hexagonale de type wurtzite ainsi qu'une microstructure dense en flocons. Le dopage au cobalt a induit une diminution de la transparence de l'ordre de 26 % et a légèrement réduit la largeur de la bande interdite (Eg), tout en favorisant le comportement ferromagnétique et en augmentant la résistivité électrique. De plus, le dopage au cobalt a renforcé l'efficacité photo-catalytique du ZnO sous l'exposition à la lumière solaire, l'échantillon dopé à 2 % de Co exhibant la plus grande efficacité de photo-dégradation du bleu de méthylène (MB), atteignant environ 93 %.  La bicouche Co3O4/ZnO révèle une structure hexagonale de type wurtzite pour le ZnO, sans présence de phase secondaire de Co3O4. Les propriétés optiques de tous les échantillons ont été scrutées, mettant en évidence que le matériau bicouche Co3O4/ZnO présente deux régions de bandes interdites directes Eg : l'une autour de 2 eV à 2,4 eV et l'autre entre 1,5 eV et 1,7 eV. Par ailleurs, les valeurs de résistivité électrique obtenues pour le ZnO, le ZnO/Co3O4 et le Co3O4/ZnO sont respectivement de 5,790x10^5, 5,399x10^7 et 1,582x10^5Ω.cm. Le Co3O4/ZnO a démontré une photodégradation de 81% après 180 minutes d'irradiation

Our thesis aimed to improve the photo-degradation efficiency of Zinc oxide thin films. We used Cobalt doping ZnO, and Co3O4 bilayer systems. We also optimized the deposition method by studying the effect of deposition time and using a low-cost nebulized spray pyrolysis process. The obtained results show that:  X-ray diffraction analysis on films deposited at different times revealed a hexagonal wurtzite structure with alignment along the c-axis. SEM analysis showed uniform dense flake microstructure and minimal voids. EDX spectra confirmed the presence of Zn, O, Si, and Ca elements. The films exhibited high transparency and intense UV emissions with five visible bands. Longer deposition times led to a slight decrease in the band gap from 3.270 to 3.241 eV.  Both Co-doped and undoped ZnO samples had a hexagonal wurtzite structure and a densely flaked microstructure. Co-doping decreased transparency by 26% and slightly reduced the band gap (Eg) while increasing ferromagnetic behavior and electrical resistivity. Co-doping also improved the photo-catalytic efficiency of ZnO under sunlight, with the sample doped at 2% Co showing the highest photo-degradation efficiency of methylene blue (MB), about 93%.  The Co3O4/ZnO bilayer has a ZnO hexagonal wurtzite structure without any secondary phase of Co3O4. The optical properties of all the samples have been studied, revealing that the Co3O4/ZnO bilayer material has two direct allowed band gap Eg regions, one around 2 eV to 2.4 eV and the other around 1.5 eV to 1.7 eV. Additionally, the electrical resistivity values obtained for ZnO, ZnO/ Co3O4, and Co3O4/ZnO are 5,790x105, 5,399x107, and 1,582x105Ω.Cm, respectively. The Co3O4/ZnO showed 81% photo-degradation after 180 minutes of irradiation.