Étude des propriétés physiques et stabilité des réseaux de nanofils métalliques, recherche de leur intégration efficace au sein de dispositifs fonctionnels // study of physical properties of metallic nanowire networks and further steps towards integration

Topic description

Les réseaux de nanofils métalliques sont bien étudiés depuis maintenant deux décennies [Maurya et al., ]. Ils font notamment l'objet d'études physiques fort intéressantes (étude de la percolation, compromis transparence optique et conduction électrique, effets de l'échelle nanométrique etc). Sur le plan applicatif, ils constituent d'efficaces électrodes transparentes flexibles, et peuvent être intégrés par exemple dans des cellules photovoltaïques, des écrans tactiles, des films chauffants transparents, des OLEDs etc. L'idée n'est pas de synthétiser les nanofils métalliques au laboratoire (le LMGP travaille soit avec des nanofils commerciaux soit par collaborations avec des chimistes compétents), mais de déposer des réseaux sur des substrats de verre ou polymériques, d'étudier leurs propriétés physiques et leur stabilité. Afin d'augmenter cette dernière on dépose de façon conforme (souvent par Spatial Atomique Layer Deposition) une couche très mince (quelques nm d'épaisseur) d'oxyde métallique (ZnO, TiO2, Al2O3…) qui bloque la diffusion de surface des atomes d'argent et évite ainsi toute instabilité morphologique (i.e. sphéroïdisation) des nanofils métalliques. Ces derniers sont très souvent à base d'argent, mais on cherche à les remplacer par d'autres métaux (Cu…) ou des nanofils cœur-coquille (Cu@Ni...). Le but de la thèse est double. Sur un plan fondamental, on cherchera à poursuivre les travaux récents de recherche dans le cadre de la thèse de Buyun Zhang (bourse CRC -) et de deux découvertes récentes au LMGP qui apparaissent marquantes : i/ la percolation duale (la percolation électrique et optique apparaissent pour deux densités de réseau très différentes) et ii/ l'anisotropie azimutale de l'émissivité infrarouge des réseaux alignés de AgNW. Sur un plan plus applicatif, le but est de mieux comprendre et optimiser les propriétés et la stabilité des réseaux AgNW, en vue d'intégrer ces électrodes transparentes dans des cellules solaires, des couches de faible émissivité (permettant un management thermique efficace) ou encore le « resistive switching ». Les approches considérées pour cette thèse concernent surtout un travail expérimental (fabrication, caractérisation des réseaux de nanofils métalliques), mais aussi une meilleure compréhension des propriétés physiques grâce à des modélisations physiques. Des approches d'éco-conception seraient aussi très utiles pour le projet de thèse ; par exemple en utilisant des nanofils d'argent issus non pas d'argent pur mais d'argent recyclé issu d'anciens panneaux photovoltaïques (collaboration en cours avec le SyMMES et l'entreprise ROSI). Remarque: le pdf joint à cette demande comporte une figure qui résume grossièrement le projet de thèse.
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Metallic nanowire networks have been extensively studied for two decades now. They are the subject of particularly interesting physics research (study of percolation, trade-off between optical transparency and electrical conduction, effects of the nanometric scale, etc.). In terms of applications, they are effective flexible transparent electrodes and can be integrated into photovoltaic cells, touch screens, transparent heating films, OLEDs, etc. The idea is not to synthesise metal nanowires in the laboratory (the LMGP works either with commercial nanowires or through collaborations with competent chemists), but to deposit networks on glass or polymer substrates and study their physical properties and stability. In order to enhance the latter, a very thin layer (a few nm thick) of metal oxide (ZnO, TiO2, Al2O3, etc.) is deposited conformally (often by Spatial Atomic Layer Deposition) to block the surface diffusion of silver atoms and thus prevent any morphological instability (i.e. spheroidisation) of the metallic nanowires. These are very often silver-based, but we are seeking to replace them with other metals (Cu, etc.) or core-shell nanowires (Cu@Ni, etc.). The aim of the thesis is twofold. Fundamentally, we will seek to continue recent research work in the context of Buyun Zhang's thesis (CRC grant -) and two recent discoveries at LMGP that appear to be significant: i/ dual percolation (electrical and optical percolation appear for two very different network densities) and ii/ azimuthal anisotropy of the infrared emissivity of aligned AgNW networks. On a more practical level, the aim is to better understand and optimise the properties and stability of AgNW networks with a view to integrating these transparent electrodes into solar cells, low-emissivity layers (enabling effective thermal management) and resistive switching. The approaches considered for this thesis mainly concern experimental work (fabrication and characterisation of metallic nanowire networks), but also a better understanding of physical properties through physical modelling. Eco-design approaches would also be very useful for the thesis project, for example by using silver nanowires made not from pure silver but from recycled silver from old photovoltaic panels (ongoing collaboration with SyMMES and the company ROSI).
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral