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Mauchamp Vincent

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  • Synthèse et structure électronique de phases MAX et MXènes    - Magné Damien  -  06 octobre 2016

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    Les objectifs de ce travail sont d'une part d'étudier la structure électronique de carbures de titane bidimensionnels appartenant à la famille des MXènes, et d'autre part de synthétiser des films minces pour caractériser certaines de leurs propriétés. L'étude de la structure électronique a été réalisée sur le système Ti3C2T2 avec une attention particulière portée aux groupements de surface T (T=OH, F ou O) en comparant les résultats obtenus par spectroscopie de perte d'énergie des électrons à ceux des calculs ab initio. Cette étude, portée à la fois sur les excitations du gaz d'électrons de valence et des électrons de coeur, a permis de mettre en évidence la localisation des groupements de surface, ainsi que leur influence sur la structure électronique du MXene. La comparaison des simulations et des spectres expérimentaux a également permis de caractériser la nature chimique des groupements de surface. Enfin, la limite d'une telle étude est discutée en considérant les phénomènes d'irradiation responsables de la perte d'atomes d'hydrogène. La synthèse d'échantillons modèles nécessite la synthèse préalable d'un film mince de phase MAX précurseur pour le MXene : nous avons choisi la phase Ti2AlC, précurseur de Ti2C. La synthèse de Ti2AlC a été réalisée par recuit ex-situ de systèmes multicouches déposés à température ambiante. Les films ont été caractérisés par diffraction des rayons X et microscopie électronique en transmission. Au-delà de l'obtention d'un film mince de Ti2AlC texturé, cette étude a permis de montrer que la phase recherchée était obtenue via des mécanismes d'interdiffusions induisant la formation d'une solution solide métastable vers 400°C qui se transforme en phase MAX vers 600°C. Enfin, l'application de ce procédé à la phase V2AlC a permis de montrer l'importance de l'orientation de la phase initiale pour l'obtention d'un film mince texturé.

  • Caractérisation des effets de surface, de désordre et d'empilement de feuillets dans le MXène Ti₃C₂Tₓ par microscopie électronique en transmission    - Bilyk Thomas  -  05 mars 2021

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    Les effets de chimie de surface, de désordre et d'empilement jouent des rôles majeurs sur les propriétés des MXènes. L'étude de ces effets sur la structure électronique représente donc un enjeu fondamental pour ces matériaux. La microscopie électronique en transmission permet de sonder celle-ci à des échelles allant du micromètre au nanomètre, notamment grâce à la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). Cette étude se focalise majoritairement sur le MXène Ti₃C₂Tₓ avec T les groupements fonctionnels. Un premier objectif fut l'étude des informations accessibles sur la chimie de surface par spectroscopie EELS. En couplant cette méthode expérimentale à des simulations par théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), il est montré que dans les pertes de cœur, le seuil K du carbone est un marqueur permettant de découpler les modifications en surfaces des feuillets et les perturbations dans le volume. La caractérisation d'empilements de feuillets fut alors abordée, avec l'idée d'apporter, notamment lorsqu'elles sont faibles, une mesure quantitative de leurs épaisseurs, i.e. du nombre de feuillets. Ce second objectif a nécessité l'utilisation combinée des techniques expérimentales de diffraction d'électrons en faisceau convergent, d'imagerie STEM-HAADF et de spectroscopie EELS dans le domaine des pertes faibles, ainsi que de méthodes de simulation de structure électronique par DFT, et de clichés de diffraction par la théorie de Bethe des ondes de Bloch. En outre, la sensibilité du plasmon de volume à l'espacement moyen entre feuillets a été mise en évidence. Ces résultats ont été utilisés pour établir le rôle d'une impureté sur la structure électronique des feuillets et caractériser le MXène lorsqu'utilisé comme support de phase active pour la catalyse de la réaction d'évolution de l’oxygène.

  • Structure électronique et fonctionnalisation de feuillets bidimensionnels de carbures de métaux de transition (MXènes) : simulation de données spectroscopiques    - Brette Florian  -  03 février 2023

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    Le caractère 2D et la chimie variée des MXènes leur confèrent des propriétés prometteuses pour un large champ d’application. Ces propriétés, conditionnées par la fonctionnalisation des feuillets, dépendent pour partie du milieu exfoliant utilisé pour leur synthèse. Une caractérisation précise des groupements de surface s’avère donc nécessaire, mais les données expérimentales sont souvent difficiles à interpréter. Nos travaux portent sur le développement d’outils d’interprétation de telles données à partir de simulations utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), avec un intérêt spécifique pour la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Des spectres XPS dans la bande de valence obtenus sur des films minces de Ti₃C₂Tₓ ont d’abord été simulés afin de relier la fonctionnalisation des feuillets aux signatures spectrales observées. Le rôle du milieu y est mis en évidence et discuté, montrant un effet qui diffère en fonction de la gamme d’énergie étudiée. Il ressort que c’est un point clé pour la modification des propriétés électroniques des MXènes. Dans un second temps, un protocole de calcul des énergies de liaisons des niveaux de cœur a été établi pour l’analyse des données XPS correspondantes. Appliqué à Ti₃C₂Tₓ, il permet d’identifier les charges de Bader portées par les atomes comme des descripteurs pertinents pour interpréter les décalages des niveaux de cœur. Une réinterprétation des données des spectres XPS par rapport à la littérature est proposée. Enfin, les spectres RMN du ¹³C ont été simulés en incluant un traitement approprié pour les matériaux métalliques. La corrélation directe entre la fonctionnalisation des feuillets et les déplacements RMN du ¹³C est mise en évidence pour un ensemble de MXènes, faisant de ce noyau une sonde extrêmement pertinente pour la chimie de surface des feuillets. Les résultats des simulations facilitent donc amplement l’interprétation des spectres XPS et RMN, et permettent une caractérisation plus fine des populations en surface de feuillets de MXènes.

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