WO2021160874A1 - Method for preparing a composite material with core-shell nanoparticles the shell of which is made from graphene - Google Patents

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Omar KASSEM
Mathilde Rieu
Jean-Paul Viricelle
Mohamed Saadaoui
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Institut Mines Telecom
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Abstract

The invention relates to a method for preparing a composite material comprising core-shell nanoparticles the core of which is made from a material which can absorb light and the shell of which is made from graphene, the method comprising the following steps: a) providing a substrate and an ink comprising nanoparticles which can absorb light, the nanoparticles being encapsulated in a polymer matrix; b) depositing the ink on a surface of the substrate, the surface or the ink comprising a carbon source selected from: • a polymer comprising an amide function and an aromatic function, • a hexose, • carbon nanoparticles, • self-assembled monolayers comprising aromatic rings, c) illuminating the surface of the ink-covered substrate with a pulsed light in order to bring the nanoparticles in the ink to a heating temperature greater than a dissociation temperature of the carbon in the carbon source, the carbon dissociated in this manner then being capable of diffusing or solubilising in the nanoparticles in the ink in order to form the composite material.

Description

PROCEDE D’ELABORATION D’UN MATERIAU COMPOSITE AVEC DES NANOPARTICULES DE TYPE CŒUR-COQUILLE DONT LA COQUILLE EST EN PROCESS FOR THE PREPARATION OF A COMPOSITE MATERIAL WITH NANOPARTICLES OF THE CORE-SHELL TYPE OF WHICH THE SHELL IS IN
GRAPHENE GRAPHENE
Domaine technique de l’invention Technical field of the invention
L’invention concerne un procédé d’élaboration d’un matériau composite avec des nanoparticules de type cœur-coquille, la coquille étant en graphène. Il est notamment destiné à être mis en œuvre sur un substrat souple. The invention relates to a process for producing a composite material with nanoparticles of the core-shell type, the shell being made of graphene. It is in particular intended to be implemented on a flexible substrate.
Ce type de matériau composite peut être utilisé dans de nombreuses applications. Il peut ainsi être employé dans les électrodes pour les batteries au lithium, les électrodes pour les générateurs triboélectriques, les éléments sensibles des capteurs à gaz, les éléments sensibles des capteurs de température-humidité, des capteurs de pression, des transistors et en magnéto-résistivité, etc. This type of composite material can be used in many applications. It can thus be used in electrodes for lithium batteries, electrodes for triboelectric generators, sensitive elements of gas sensors, sensitive elements of temperature-humidity sensors, pressure sensors, transistors and in magneto. resistivity, etc.
Les excellentes propriétés physiques du graphène en font un constituant idéal des alliages utilisés dans ce type d’application où les industriels cherchent à réaliser des composants électroniques innovants qui présentent des performances électroniques améliorées. The excellent physical properties of graphene make it an ideal constituent of the alloys used in this type of application where manufacturers seek to produce innovative electronic components that exhibit improved electronic performance.
Les nanoparticules utilisées dans le procédé selon l’invention consistent en des particules de taille généralement nanométrique, c’est-à-dire dont la taille est comprise entre un nanomètre et plusieurs centaines de nanomètres, voire au-delà du micron. The nanoparticles used in the process according to the invention consist of particles of generally nanometric size, that is to say whose size is between one nanometer and several hundred nanometers, or even beyond a micron.
Arrière-plan technique Technical background
De nombreux procédés d’élaboration de matériaux composites ont été développés. Numerous processes for the production of composite materials have been developed.
Un procédé d’élaboration de matériaux composites à base de carbone est décrit dans l’article Zhang et al., tin-Nanoparticles Encapsulated in Elastic Hollow Carbon Spheres for High-Performance Anode Material in Lithium-Ion Battery, Advanced material, 2008 20, 1160-1165. Le procédé vise à élaborer des nanoparticules d’étain encapsulées dans une sphère de carbone. Dans un premier temps, il s’agit de fabriquer des sphères creuses à deux coquilles. Une première coquille est en oxyde d’étain et une deuxième coquille est en carbone. Si les premières étapes du procédé sont effectuées à relativement basse température, pour obtenir des nanoparticules d’étain non oxydées, il est nécessaire que la sphère à deux coquilles soit chauffée dans un réacteur hydrothermal à une température de 700°C pour une durée d’au moins quatre heures sous atmosphère d’azote. Ce procédé ne permet pas de fabriquer un matériau composite à base de nanoparticules d’étain recouverte de graphène. De plus, un tel procédé n’est pas adapté pour une synthèse du matériau composite sur un substrat souple et plus généralement tout substrat fait d’un matériau dont les propriétés sont amenées à se dégrader sous l’effet des hautes températures. A process for developing carbon-based composite materials is described in the article Zhang et al., Tin-Nanoparticles Encapsulated in Elastic Hollow Carbon Spheres for High-Performance Anode Material in Lithium-Ion Battery, Advanced material, 2008 20, 1160-1165. The process aims to develop tin nanoparticles encapsulated in a carbon sphere. The first step is to make hollow spheres with two shells. A first shell is made of oxide tin and a second shell is carbon. If the first steps of the process are carried out at relatively low temperature, to obtain non-oxidized tin nanoparticles, it is necessary that the two-shell sphere is heated in a hydrothermal reactor at a temperature of 700 ° C for a period of time. at least four hours under a nitrogen atmosphere. This process does not make it possible to manufacture a composite material based on tin nanoparticles covered with graphene. In addition, such a method is not suitable for synthesizing the composite material on a flexible substrate and more generally any substrate made of a material whose properties are caused to degrade under the effect of high temperatures.
Wen et al., Binding Sn-based nanoparticles on graphene as the anode of rechargeable lithium-ion batteries, Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 3300 ont ensuite proposé un procédé de liaison de nanoparticules d’étain sur du graphène. Dans ce procédé, du chlorure d’étain et du glucose sont mélangés dans une solution à base d’oxyde de graphène, puis le mélange obtenu est porté à une température de 170°C pendant cinq heures, puis porté à plus haute température de 250°C à 900°C pour réduire les nanoparticules d’oxyde d’étain ainsi obtenues. Cela étant, la qualité du matériau composite finalement obtenu dépend de l’oxydation chimique des nanoparticules d’étain. Or, pour réduire cette oxydation chimique, ce procédé requiert d’effectuer un traitement thermique à au moins 550°C. Un tel procédé n’est pas non plus adapté pour une synthèse du matériau composite sur un substrat souple. Wen et al., Binding Sn-based nanoparticles on graphene as the anode of rechargeable lithium-ion batteries, Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 3300 then proposed a method of binding tin nanoparticles on graphene. In this process, tin chloride and glucose are mixed in a solution based on graphene oxide, then the mixture obtained is brought to a temperature of 170 ° C for five hours, then brought to a higher temperature of 250 ° C to 900 ° C to reduce the nanoparticles of tin oxide thus obtained. However, the quality of the composite material ultimately obtained depends on the chemical oxidation of the tin nanoparticles. However, to reduce this chemical oxidation, this process requires carrying out a heat treatment at at least 550 ° C. Such a method is also not suitable for a synthesis of the composite material on a flexible substrate.
Luo et al., Graphene-confined Sn Nanosheets with Enhanced Lithium Storage Capability, Advanced Materials, 2012, 24, 3538-3543 ont proposé un procédé de synthèse d’un matériau composite à base de feuillets nanométriques d’étain enrobés de feuillets de graphène. Le procédé décrit requiert des traitements thermiques à des températures d’environ 500°C pendant deux heures puis 1000°C pendant 5mn afin de réduire le Sn02@C en Sn@C. Ce procédé souffre des mêmes inconvénients que les procédés précités. Luo et al., Graphene-confined Sn Nanosheets with Enhanced Lithium Storage Capability, Advanced Materials, 2012, 24, 3538-3543 have proposed a process for the synthesis of a composite material based on nanometric tin sheets coated with graphene sheets . The described process requires heat treatments at temperatures of about 500 ° C for two hours and then 1000 ° C for 5 minutes in order to reduce SnO2 @ C to Sn @ C. This method suffers from the same drawbacks as the aforementioned methods.
Wang et al., Sn/Graphene nanocomposite with 3D architecture for enhanced réversible lithium storage in lithium ion batteries, Journal of Material Chemistry, 2009, 19, 8378-8384 ont proposé un procédé de fabrication d’un matériau composite à base d’étain et de graphène à basse température en ajoutant graduellement une solution aqueuse réductrice de NaBhU à un mélange de nanofeuillets d’oxyde de graphène dispersés, de SnCl2.2H20 et d’acide citrique. Si ce procédé s’effectue bien à basse température, une étape supplémentaire de structuration doit être mise en œuvre pour améliorer la cristallinité du graphène. Cette étape augmente considérablement la durée du procédé puisqu’elle requiert un recuit thermique à 200°C pendant quinze heures sous atmosphère d’argon. Wang et al., Sn / Graphene nanocomposite with 3D architecture for enhanced reversible lithium storage in lithium ion batteries, Journal of Material Chemistry, 2009, 19, 8378-8384 have proposed a process for manufacturing a tin-based composite material and low temperature graphene by gradually adding a reducing aqueous solution of NaBhU to a mixture of dispersed graphene oxide nanosheets, SnCl2.2H20 and citric acid. If this process is carried out well at low temperature, an additional structuring step must be implemented to improve the crystallinity of graphene. This step considerably increases the duration of the process since it requires thermal annealing at 200 ° C. for fifteen hours under an argon atmosphere.
Lin et al., Laser-induced porous graphene films from commercial polymers, Nature Communications, 5 :5714 doi : 10.1038/ncomms6714 (2014) ont également proposé un procédé de transformation d’un film de polyimide en une couche de poreuse de graphène induite par laser. Le procédé vise à synthétiser du graphène et non des matériaux composites à base de graphène. Ce procédé permet d’élaborer du graphène à température ambiante. Cependant, le faisceau laser étant par nature localisé dans l’espace, en l’espèce il présente un diamètre d’environ 120 miti, la durée du procédé est particulièrement longue et ne permet pas de traiter des surfaces relativement étendues telles que celle d’une électrode. Lin et al., Laser-induced porous graphene films from commercial polymers, Nature Communications, 5: 5714 doi: 10.1038 / ncomms6714 (2014) also proposed a method of transforming a polyimide film into a porous layer of induced graphene by laser. The process aims to synthesize graphene and not graphene-based composite materials. This process makes it possible to produce graphene at room temperature. However, the laser beam being by nature localized in space, in this case it has a diameter of about 120 miti, the duration of the process is particularly long and does not make it possible to treat relatively large surfaces such as that of an electrode.
Plus récemment, Vishwakarma et al., Transfert free graphene growth on S1O2 substrate at 250 °C, Scientific Reports 7, 43756; doi: 10.1038/srep43756 (2017) ont proposé un procédé de synthèse de couches mince de graphène sur Sn sur des substrats de Si02/Si par ablation laser pulsé puis recuit à une température de 250°C. Si la température à laquelle est mise en œuvre le procédé est faible, la synthèse s’effectue sous un vide, notamment à une pression de 5 x 105 Pa. Or, l’utilisation du vide dans les procédés industriels est très contraignante puisqu’elle requiert des dispositifs de pompage spécifiques, i.e. dimensionnés pour des procédés de ce type, et généralement très coûteux. More recently, Vishwakarma et al., Transfert free graphene growth on S1O2 substrate at 250 ° C, Scientific Reports 7, 43756; doi: 10.1038 / srep43756 (2017) have proposed a process for synthesizing thin layers of graphene on Sn on SiO 2 / Si substrates by pulsed laser ablation followed by annealing at a temperature of 250 ° C. If the temperature at which the process is carried out is low, the synthesis is carried out under a vacuum, in particular at a pressure of 5 x 10 5 Pa. However, the use of vacuum in industrial processes is very restrictive since it requires specific pumping devices, ie sized for processes of this type, and generally very expensive.
Les procédés connus de l’art antérieur nécessitent soit des températures trop élevées, soit des temps de fabrication très longs soit encore un vide très poussé. Par ailleurs, ils ne sont pas tous adaptés pour effectuer un dépôt sur un matériau souple. The known methods of the prior art require either excessively high temperatures, or very long manufacturing times or even a very high vacuum. Moreover, not all of them are suitable for depositing on a flexible material.
Il existe donc un besoin d’améliorer les procédés d’élaboration existants. There is therefore a need to improve the existing production processes.
Résumé de l’invention Summary of the invention
Pour répondre à ce besoin, l’invention propose un procédé d’élaboration d’un matériau composite comportant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait d’un matériau apte à absorber de la lumière et la coquille est faite en graphène. Le procédé selon l’invention comprend les étapes suivantes : a) fournir un substrat ainsi qu’une encre comportant des nanoparticules aptes à absorber de la lumière, lesdites nanoparticules étant encapsulées dans une matrice polymérique ; b) déposer l’encre comportant les nanoparticules sur une surface du substrat, ladite surface ou ladite encre comprenant : To meet this need, the invention provides a process for producing a composite material comprising nanoparticles of the core-shell type, the core of which is made of a material capable of absorbing light and the shell is made of graphene. . The method according to the invention comprises the following steps: a) providing a substrate as well as an ink comprising nanoparticles capable of absorbing light, said nanoparticles being encapsulated in a polymer matrix; b) depositing the ink comprising the nanoparticles on a surface of the substrate, said surface or said ink comprising:
• soit un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique,• either a polymer comprising an amide function and an aromatic function,
• soit un hexose, par exemple du fructose ou du glucose, • either a hexose, for example fructose or glucose,
• soit des nanoparticules de carbone, • or carbon nanoparticles,
• soit des monocouches auto-assemblées comprenant des cycles aromatiques, c) illuminer la surface du substrat recouverte d’encre avec une lumière pulsée pour porter les nanoparticules comprises dans l’encre à une température d’échauffement supérieure à une température de dissociation du carbone compris à la surface du substrat, le carbone ainsi dissocié étant alors apte à diffuser ou à se solubiliser dans les nanoparticules comprises dans l’encre pour former ledit matériau composite. • or self-assembled monolayers comprising aromatic rings, c) illuminate the surface of the substrate covered with ink with pulsed light to bring the nanoparticles included in the ink to a heating temperature greater than a carbon dissociation temperature included at the surface of the substrate, the carbon thus dissociated then being able to diffuse or to dissolve in the nanoparticles included in the ink to form said composite material.
Les nanoparticules étant aptes à absorber la lumière, elles s’échauffent lorsqu’elles sont illuminées par la lumière pulsée. L’utilisation de la lumière pulsée permet un échauffement des nanoparticules à des températures supérieures à 1000°C en moins d’une seconde. Cet échauffement des nanoparticules a pour conséquence d’entraîner à son tour une élévation de la température à la surface du substrat aux interfaces avec les nanoparticules comprises dans l’encre, ce qui permet de dissocier le carbone compris à la surface du substrat et subséquemment de générer localement la diffusion ou la solubilisation des atomes de carbone de la surface du substrat dans les nanoparticules, notamment à la périphérie des nanoparticules. Il peut également permettre un changement d’état des nanoparticules elles-mêmes au cours d’un processus de fusion selon le matériau dont sont faites les nanoparticules. Since nanoparticles are able to absorb light, they heat up when illuminated by pulsed light. The use of pulsed light allows nanoparticles to heat up to temperatures above 1000 ° C in less than a second. This heating of the nanoparticles has the consequence of in turn causing an increase in the temperature at the surface of the substrate at the interfaces with the nanoparticles included in the ink, which makes it possible to dissociate the carbon included in the surface of the substrate and subsequently to locally generate the diffusion or solubilization of the carbon atoms from the surface of the substrate in the nanoparticles, in particular at the periphery of the nanoparticles. It can also allow the state of the nanoparticles themselves to change during a melting process depending on the material the nanoparticles are made of.
L’élévation de la température de la surface du substrat est localisée et ne dégrade donc que très localement la surface du substrat puisqu’elle n’a lieu qu’aux interfaces avec les nanoparticules et donc au voisinage immédiat desdites nanoparticules. Le procédé selon l’invention est donc particulièrement ingénieux puisqu’il est compatible avec tous les types de substrat. En effet, contrairement au recuit thermique à haute température, et quand bien même le substrat est fait d’un matériau qui se dégrade sous l’effet de la température, seul le matériau situé aux interfaces avec les nanoparticules est dégradé. Précisons que la capacité qu’ont les molécules du matériau à se dissocier, et subséquemment les molécules carbonées, lorsque la température s’élève tient à la composition de ce matériau. En effet, il comprend soit un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique, soit un hexose, par exemple du fructose ou du glucose, soit des nanoparticules de carbone. Ces matériaux ou substances sont facilement dégradables aux températures auxquelles s’échauffe la surface du substrat située autour des nanoparticules de l’encre. The rise in the temperature of the surface of the substrate is localized and therefore only very locally degrades the surface of the substrate since it only takes place at the interfaces with the nanoparticles and therefore in the immediate vicinity of said nanoparticles. The method according to the invention is therefore particularly ingenious. since it is compatible with all types of substrate. This is because, unlike thermal annealing at high temperature, and even though the substrate is made of a material which degrades under the effect of temperature, only the material located at the interfaces with the nanoparticles is degraded. It should be noted that the capacity of the molecules of the material to dissociate, and subsequently the carbon molecules, when the temperature rises depends on the composition of this material. In fact, it comprises either a polymer comprising an amide function and an aromatic function, or a hexose, for example fructose or glucose, or carbon nanoparticles. These materials or substances are easily degradable at the temperatures at which the surface of the substrate located around the nanoparticles of the ink heats up.
Le processus par lequel les atomes de carbone s’insèrent dans les nanoparticules, i.e. diffusion ou solubilité, dépendra du matériau dont sont faites les nanoparticules et de la capacité du carbone à y diffuser ou à se solubiliser. Ce qui importe dans la présente invention est de graphitiser les nanoparticules, c’est-à-dire former du graphène à la périphérie des nanoparticules de sorte à obtenir un matériau composite comprenant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait du matériau apte à absorber la lumière et la coquille est faite de graphène venant du carbone de la surface du substrat. The process by which carbon atoms fit into nanoparticles, i.e. diffusion or solubility, will depend on the material of which the nanoparticles are made and the ability of the carbon to diffuse or solubilize therein. What is important in the present invention is to graphitize the nanoparticles, that is to say to form graphene at the periphery of the nanoparticles so as to obtain a composite material comprising nanoparticles of the core-shell type whose core is made of the material. able to absorb light and the shell is made of graphene coming from the carbon of the surface of the substrate.
Les phénomènes décrits ci-dessus se produisent « en cascade», c’est-à-dire les uns à la suite des autres et en moins d’une seconde d’exposition à la lumière pulsée, ce qui fait du procédé de l’invention un procédé particulièrement rapide pour former un matériau composite comportant des nanoparticules cœur-coquille dont la coquille est en graphène. The phenomena described above occur "in cascade", that is to say one after the other and in less than a second of exposure to pulsed light, which makes the process of invention a particularly rapid process for forming a composite material comprising core-shell nanoparticles whose shell is made of graphene.
En outre, l’encapsulation des nanoparticules dans une matrice polymérique permet d’éviter l’agrégation desdites nanoparticules en particulier lors de leur impression sur la surface du substrat. La graphitisation des nanoparticules est alors d’autant plus efficace qu’elles sont non agrégées puisque la lumière pulsée est alors capable d’atteindre chaque nanoparticule et de provoquer échauffement de ladite nanoparticule. In addition, the encapsulation of the nanoparticles in a polymeric matrix makes it possible to avoid the aggregation of said nanoparticles, in particular during their printing on the surface of the substrate. The graphitization of the nanoparticles is then all the more effective when they are not aggregated since the pulsed light is then able to reach each nanoparticle and cause the said nanoparticle to heat up.
L’encapsulation des nanoparticules permet aussi de réduire significativement l’oxydation chimique desdites nanoparticules. Le processus chimique d’oxydation de la surface d’un matériau est un phénomène naturel qui a tendance à se produire dès lors que ledit matériau est exposé à l’air ambient et/ou sous l’effet du temps. L’encapsulation des nanoparticules dans une matrice polymérique permet de s’affranchir de cet effet indésirable qui, comme cela a été vu dans les sections relatives à l’art antérieur, ne peut être surmonté qu’en chauffant le matériau à très haute température, généralement à partir de 750°C ou en ayant en recours à un vide poussé. De plus, la réduction de l’oxydation de la surface permet d’améliorer la graphitisation puisque l’oxydation de surface réduit la capacité d’absorption de la lumière des nanoparticules et des matériaux en général. The encapsulation of the nanoparticles also makes it possible to significantly reduce the chemical oxidation of said nanoparticles. The chemical process of oxidation of the surface of a material is a natural phenomenon which tends to occur when said material is exposed to ambient air and / or under the effect of time. The encapsulation of the nanoparticles in a polymer matrix makes it possible to overcome this undesirable effect which, as has been seen in the sections relating to the prior art, can only be overcome by heating the material to a very high temperature, generally from 750 ° C or by using a high vacuum. In addition, reducing surface oxidation improves graphitization since surface oxidation reduces the light absorption capacity of nanoparticles and materials in general.
Selon différentes caractéristiques de l’invention qui pourront être prises ensemble ou séparément : According to different characteristics of the invention which can be taken together or separately:
- le matériau apte à absorber la lumière est métallique ou semi-conducteur,- the material capable of absorbing light is metallic or semiconductor,
- Le matériau apte à absorber la lumière est à base d’étain (Sn) ; - The material capable of absorbing light is based on tin (Sn);
- le polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique est un polyimide ; the polymer comprising an amide function and an aromatic function is a polyimide;
- l’hexose est du fructose ou du glucose ; - hexose is fructose or glucose;
- les monocouches auto-assemblées sont faites à base d’hexadecane thiol (HDT), de biphenyl-4-thiol (BPT), de 1 , 1 ’-biphenyM -4-thiol (BPTC), de tolanethioacetate (TT A), de tolane disulfide (TDS), de tolane methyl sulfide (TMS) ; - the self-assembled monolayers are made from hexadecane thiol (HDT), biphenyl-4-thiol (BPT), 1, 1 '-biphenyM -4-thiol (BPTC), tolanethioacetate (TT A), tolane disulfide (TDS), tolane methyl sulfide (TMS);
- lors de l’étape b), l’encre est déposée avec une technique choisie parmi l’impression, l’enduction centrifuge, l’enduction par trempage, le dépôt à la goutte, le dépôt de Langmuir-Blodgett ou encore le coulage en bande ;- during step b), the ink is deposited with a technique chosen from among printing, centrifugal coating, coating by dipping, drop deposition, Langmuir-Blodgett deposition or even casting in strip;
- lors de l’étape b), l’encre est déposée par impression à jet d’encre ; - in step b), the ink is deposited by inkjet printing;
- lors de l’étape c), la lumière pulsée est générée au moyen d’une source d’excitation émettant un rayonnement électromagnétique polychromatique large-bande ; ladite source d’excitation émet à des longueurs d’onde comprises entre 180 et 1200 nm ; lors de l’étape c), la lumière pulsée est générée au moyen d’une source laser ; - During step c), the pulsed light is generated by means of an excitation source emitting wide-band polychromatic electromagnetic radiation; said excitation source emits at wavelengths between 180 and 1200 nm; during step c), the pulsed light is generated by means of a laser source;
- lors de l’étape c) : o l’amplitude de la lumière pulsée est obtenue avec une tension d’alimentation de la source d’excitation comprise entre 200 et 900 V, de préférence à environ 360 V ; o la fréquence d’illumination de la lumière pulsée est comprise entre 0,1 et 100 kHz, de préférence à environ 10 kHz ; o le nombre de puises de la lumière pulsée est compris entre 6 et 20, o la durée d’un puise est comprise entre 50 psec et 2 ms, de préférence à environ 80 psec - during step c): o the amplitude of the pulsed light is obtained with a supply voltage of the excitation source of between 200 and 900 V, preferably around 360 V; o the frequency of illumination of the pulsed light is between 0.1 and 100 kHz, preferably around 10 kHz; o the number of pulses of the pulsed light is between 6 and 20, o the duration of a pulse is between 50 psec and 2 ms, preferably around 80 psec
- lors de l’impression par jet d’encre, on ajuste une distance entre une buse d’éjection de l’imprimante et le substrat entre 600 pm et 1 ,5 mm. - During inkjet printing, a distance between a printer ejection nozzle and the substrate is adjusted between 600 µm and 1.5 mm.
Présentation des figures Presentation of figures
D’autres objets et caractéristiques de l’invention apparaîtront plus clairement dans la description qui suit, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : Other objects and characteristics of the invention will emerge more clearly in the following description, made with reference to the appended figures, in which:
- La figure 1 illustre les étapes du procédé selon l’invention, - Figure 1 illustrates the steps of the process according to the invention,
- La figure 2 est une vue schématique en section d’une buse d’une imprimante à jet d’encre, - Figure 2 is a schematic sectional view of a nozzle of an inkjet printer,
- La figure 3 est une figure comparative illustrant le spectre d’émission normalisé de la source de xénon et l’absorbance du matériau composite à base de graphène@Sn-NPs après impression par jet d’encre avec un plateau d’impression maintenu à 40°C, - Figure 3 is a comparative figure illustrating the normalized emission spectrum of the xenon source and the absorbance of the graphene-based composite material @ Sn-NPs after inkjet printing with a printing bed maintained at 40 ° C,
- La figure 4 illustre le spectre d’émission d’une source d’excitation à base de xénon à 360 V et l’intensité de lumière relative absorbée par une couche mince à base de nanoparticules d’étain après impression par jet d’encre avec un plateau d’impression maintenu à 40°C, - Figure 4 illustrates the emission spectrum of a xenon-based excitation source at 360 V and the relative light intensity absorbed by a thin layer based on tin nanoparticles after inkjet printing with a print bed maintained at 40 ° C,
- La figure 5 illustre la densité de puissance émise (en noir) et absorbée (en gris clair) durant un cycle de 6 puises consécutifs, - La figure 6 illustre l’évolution de la température du matériau composite graphène@Sn-NPs durant un cycle de 6 puises consécutifs, - Figure 5 illustrates the power density emitted (in black) and absorbed (in light gray) during a cycle of 6 consecutive pulses, - Figure 6 illustrates the evolution of the temperature of the graphene composite material @ Sn-NPs during a cycle of 6 consecutive pulses,
- La figure 7 illustre l’évolution de la résistance carrée de lignes d’étain déposées sur de l’Upilex® et traitées par recuit photonique en fonction de la température atteinte par les lignes de Sn, - Figure 7 illustrates the evolution of the square resistance of tin lines deposited on Upilex® and treated by photonic annealing as a function of the temperature reached by the Sn lines,
- La figure 8 illustre l’évolution du signal Raman de lignes d’étain déposées sur de l’LIpilex® et traitées par recuit photonique à des températures de 1165°C (noir), 1343°C (gris foncé) et 1790°C (gris clair), - Figure 8 illustrates the evolution of the Raman signal of tin lines deposited on LIpilex® and treated by photonic annealing at temperatures of 1165 ° C (black), 1343 ° C (dark gray) and 1790 ° C (light gray),
- La figure 9 illustre une image de microscopie électronique en transmission (TEM) de nanoparticules d’étain déposées sur de l’LIpilex®, - Figure 9 illustrates a transmission electron microscopy (TEM) image of tin nanoparticles deposited on Ilpilex®,
- La figure 10 illustre les caractérisations électrochimique d’électrodes de travail dont le matériau actif est fabriqué à partir d’un matériau composite graphène@Sn, de graphite@Sn et de carbone@Sn dont la capacité est respectivement illustrée en noir, gris clair et gris foncé sur les figures 10b) et 10c), - Figure 10 illustrates the electrochemical characterizations of working electrodes whose active material is made from a composite material graphene @ Sn, graphite @ Sn and carbon @ Sn, the capacity of which is respectively illustrated in black, light gray and dark gray in figures 10b) and 10c),
Description détaillée de l’invention Detailed description of the invention
L’invention concerne un procédé d’élaboration d’un matériau composite comportant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait d’un matériau apte à absorber de la lumière et la coquille est faite en graphène. The invention relates to a process for producing a composite material comprising core-shell nanoparticles, the core of which is made of a material capable of absorbing light and the shell is made of graphene.
En référence à la figure 1 , le procédé comprend les étapes suivantes : a) fournir un substrat ainsi qu’une encre comportant des nanoparticules aptes à absorber de la lumière, lesdites nanoparticules étant encapsulées dans une matrice polymérique ; b) déposer l’encre sur une surface du substrat, ladite surface ou ladite encre comprenant une source de carbone choisie parmi : With reference to FIG. 1, the method comprises the following steps: a) providing a substrate as well as an ink comprising nanoparticles capable of absorbing light, said nanoparticles being encapsulated in a polymer matrix; b) depositing the ink on a surface of the substrate, said surface or said ink comprising a carbon source chosen from:
• un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique,• a polymer comprising an amide function and an aromatic function,
• un hexose, • a hexose,
• des nanoparticules de carbone, • carbon nanoparticles,
• des monocouches auto-assemblées comprenant des cycles aromatiques, c) illuminer la surface du substrat recouverte d’encre avec une lumière pulsée pour porter les nanoparticules comprises dans l’encre à une température d’échauffement supérieure à une température de dissociation du carbone compris dans la source de carbone, le carbone ainsi dissocié étant alors apte à diffuser ou à se solubiliser dans les nanoparticules comprises dans l’encre pour former ledit matériau composite. • self-assembled monolayers comprising aromatic rings, c) illuminating the surface of the substrate covered with ink with pulsed light to bring the nanoparticles included in the ink to a heating temperature greater than a dissociation temperature of the carbon included in the carbon source, the carbon thus dissociated being then able to diffuse or to dissolve in the nanoparticles included in the ink to form said composite material.
On s’intéresse tout d’abord dans les sections qui suivent aux caractéristiques du substrat et plus particulièrement aux propriétés de la surface du substrat sur laquelle est déposée l’encre comportant les nanoparticules dans le cas où la source de carbone appartient à la surface du substrat. In the following sections, we are first of all interested in the characteristics of the substrate and more particularly in the properties of the surface of the substrate on which the ink comprising the nanoparticles is deposited in the case where the carbon source belongs to the surface of the substrate. substrate.
Dans les quatre premiers modes de réalisation qui sont décrits dans la suite, la surface du substrat comprend la source de carbone. Du fait de cette propriété, la surface du substrat est donc directement impliquée dans la graphitisation des nanoparticules de l’encre, les atomes de carbone de ladite surface du substrat étant le précurseur du graphène. La graphitisation est le processus par lequel une couche de graphène est formée à la surface desdites nanoparticules. En effet, les nanoparticules de l’encre sont initialement, c’est-à-dire lors des étapes a) et b), dépourvues de coquille en graphène. C’est au cours de l’étape c) du procédé selon l’invention qu’a lieu la formation de la couche de graphène comme cela sera décrit en relation avec la description relative à l’étape c). In the first four embodiments which are described below, the surface of the substrate comprises the carbon source. As a result of this property, the surface of the substrate is therefore directly involved in the graphitization of the ink nanoparticles, the carbon atoms of said surface of the substrate being the precursor of graphene. Graphitization is the process by which a layer of graphene is formed on the surface of said nanoparticles. Indeed, the nanoparticles of the ink are initially, that is to say during steps a) and b), devoid of a graphene shell. It is during step c) of the process according to the invention that the formation of the graphene layer takes place as will be described in relation to the description relating to step c).
Toute source de carbone n’est pas nécessairement adaptée à la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. En effet, dans les quatre premiers modes de réalisation qui sont décrit dans la suite, la surface du substrat comporte une matière, un matériau ou un composé chimique apte à se dégrader à partir d’une température prédéterminée qui dépend de la nature de cette matière. En référence à la température susmentionnée, on utilisera le terme « température de dégradation ». Incidemment, cela signifie qu’en-dessous de cette température, cette matière est stable tant structurellement que chimiquement. On peut sans doute rappeler que la température de dégradation est la température à partir de laquelle les composants et/ou la structure moléculaire de la matière commence à s’altérer, généralement par scission ou brisure des liaisons entre atomes et/ou groupes d’atomes. La conséquence de cette dégradation est une modification des propriétés de cette matière à partir de la température susmentionnée. Le procédé selon l’invention exploite cette propriété de la surface du substrat afin de permettre au carbone provenant de ladite surface de se dissocier et de diffuser ou se solubiliser à la périphérie, c’est-à-dire à la surface, des nanoparticules. Cette propriété comme la précédente est nécessaire mais elle n’est pas suffisante. Any source of carbon is not necessarily suitable for carrying out the process according to the present invention. In fact, in the first four embodiments which are described below, the surface of the substrate comprises a material, a material or a chemical compound capable of degrading from a predetermined temperature which depends on the nature of this material. . With reference to the above-mentioned temperature, the term “degradation temperature” will be used. Incidentally, this means that below this temperature, this material is stable both structurally and chemically. It can probably be remembered that the degradation temperature is the temperature from which the components and / or the molecular structure of matter begin to deteriorate, generally by scission or breaking of bonds between atoms and / or groups of atoms. . The consequence of this degradation is a modification of the properties of this material starting from the aforementioned temperature. The method according to the invention exploits this property of the surface of the substrate in order to allow the carbon coming from said surface to dissociate and to diffuse or solubilize at the periphery, that is to say at the surface, of the nanoparticles. This property, like the previous one, is necessary but it is not sufficient.
En effet, les inventeurs de la présente invention se sont aperçus que tous les matériaux ou composés présentant les propriétés précitées ne permettaient pas la graphitisation des nanoparticules de l’encre mais seuls quelques-uns. Les sections qui suivent présentent les différents matériaux et/ou composés qui permettent d’atteindre ce but. Indeed, the inventors of the present invention have found that all the materials or compounds exhibiting the aforementioned properties do not allow the graphitization of the nanoparticles of the ink, but only a few. The following sections present the different materials and / or compounds that achieve this goal.
Dans un premier mode de réalisation de la présente invention, la surface du substrat comprend un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique. La fonction amide correspond à un composé organique présentant un atome d’azote lié à un groupe carbonyle, nommément un groupe R-C=0, par son atome de carbone. Cela étant dit, l’atome d’azote peut être lié à deux voire trois groupes carbonyle, ce qui donne lieu à des amides secondaires - appelés imides - et des amides tertiaires. La fonction aromatique correspond à une structure moléculaire dont les atomes forment des structures cycliques planes. Le nombre de « cycles » aromatiques n’est pas limité dans le polymère de la présente invention. In a first embodiment of the present invention, the surface of the substrate comprises a polymer comprising an amide function and an aromatic function. The amide function corresponds to an organic compound having a nitrogen atom bonded to a carbonyl group, namely an R-C = 0 group, through its carbon atom. That being said, the nitrogen atom can be bonded to two or even three carbonyl groups, resulting in secondary amides - called imides - and tertiary amides. The aromatic function corresponds to a molecular structure whose atoms form planar cyclic structures. The number of aromatic "rings" is not limited in the polymer of the present invention.
Les polymères de la composition précitée ont une température de dégradation de quelques centaines de degrés, généralement comprise entre 300°C et 500°C qui dépend de leur proportion en cycles aromatiques. Ce qui importe c’est que les polymères de la composition précitée soient aptes à se dégrader à la température d’échauffement des nanoparticules. The polymers of the aforementioned composition have a degradation temperature of a few hundred degrees, generally between 300 ° C and 500 ° C which depends on their proportion of aromatic rings. What matters is that the polymers of the aforementioned composition are capable of degrading at the heating temperature of the nanoparticles.
Les polymères qui comprennent une fonction amide et une fonction aromatique se sont révélés être d’excellents candidats pour la graphitisation des nanoparticules dans le cadre de la présente invention. En effet, lorsqu’ils sont soumis à des températures élevées, les polymères de cette composition ont tendance à se dissocier au niveau des liaisons C-N de leur fonction amide, c’est-à-dire les liaisons entre l’atome d’azote et les groupes carbonyle, libérant ainsi les atomes de carbone nécessaires à la graphitisation. La présence de la fonction aromatique est d’importance puisqu’elle permet au polymère de conserver une bonne stabilité dimensionnelle à haute température, c’est-à-dire une température supérieure à la température de dégradation du polymère sans toutefois empêcher la scission moléculaire au niveau des liaisons C-N. The polymers which comprise an amide function and an aromatic function have proved to be excellent candidates for the graphitization of nanoparticles in the context of the present invention. Indeed, when they are subjected to high temperatures, the polymers of this composition tend to dissociate at the level of the CN bonds of their amide function, that is to say the bonds between the nitrogen atom and carbonyl groups, thus releasing the carbon atoms necessary for graphitization. The presence of the aromatic function is important since it allows the polymer to maintain good dimensional stability at high temperature, that is to say a temperature above degradation temperature of the polymer without however preventing molecular cleavage at the CN bonds.
Les polymères de la composition précitée sont par exemple des polyamides, tels que les polyamides aromatiques ou aramides, les polyamides semi-aromatiques ou polyphtalamides et les polyarylamides qui comprennent tous une fonction aromatique et une fonction amide. Ils sont par exemple des polyimides tels que les polyimides aromatiques, les polyimides semi-aromatiques qui comprennent tous une fonction aromatique et une fonction imide (amide secondaire). The polymers of the aforementioned composition are, for example, polyamides, such as aromatic or aromatic polyamides, semi-aromatic or polyphthalamides polyamides and polyarylamides which all comprise an aromatic function and an amide function. They are, for example, polyimides such as aromatic polyimides, semi-aromatic polyimides which all comprise an aromatic function and an imide function (secondary amide).
À titre illustratif, la surface du substrat peut être faite en UPILEX®. L’UPILEX® est un polyimide comprenant une fonction imide et un composé aromatique qui commence généralement à se dégrader vers 500°C. L’UPILEX® est un dérivé du monomère 2,3,3',4'-Biphenyl Tetracarboxylic Dianhydride (BPDA) de formule chimique C16H6O6. L’UPILEX® présente la formule chimique suivante :
Figure imgf000012_0001
By way of illustration, the surface of the substrate can be made of UPILEX®. UPILEX® is a polyimide comprising an imide function and an aromatic compound which generally begins to degrade around 500 ° C. UPILEX® is a derivative of the 2,3,3 ', 4'-Biphenyl Tetracarboxylic Dianhydride (BPDA) monomer with the chemical formula C16H6O6. UPILEX® has the following chemical formula:
Figure imgf000012_0001
À titre illustratif également, le substrat peut être fait en Kapton®. Ce polyimide est connu pour se dégrader à partir de 400°C. Dans ces conditions, il suffirait de porter les nanoparticules à une température supérieure à 400°C pour permettre la dissociation locale des molécules de la surface du substrat. Il s’agit là d’exemples non limitatifs de polymères permettant de mettre en oeuvre le procédé de la présente invention. By way of illustration also, the substrate can be made of Kapton®. This polyimide is known to degrade from 400 ° C. Under these conditions, it would suffice to bring the nanoparticles to a temperature above 400 ° C. to allow the local dissociation of the molecules from the surface of the substrate. These are nonlimiting examples of polymers making it possible to implement the process of the present invention.
Le substrat peut être fait intégralement du polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique. Cela dit, le substrat n’est pas obligatoirement fait intégralement dudit polymère. Ce qui importe dans le cadre de la présente invention est que la surface du substrat sur laquelle est déposée l’encre lors de l’étape b) comprenne le polymère de la composition précitée. The substrate can be made entirely of the polymer comprising an amide function and an aromatic function. However, the substrate does not have to be made entirely from said polymer. What is important in the context of the present invention is that the surface of the substrate on which the ink is deposited during step b) comprises the polymer of the aforementioned composition.
Selon une mise en oeuvre particulière de l’invention, le substrat comprend un support sur lequel on applique ou fixe ledit polymère. According to a particular implementation of the invention, the substrate comprises a support on which said polymer is applied or fixed.
De préférence, ledit polymère peut être apporté sous la forme d’une couche mince. De nombreux polymères de la composition précitée sont disponibles sous cette forme dans le commerce. À titre d’exemple, on peut citer l’IlPILEX®. Dans une telle configuration, il est préférable que le support, qu’il soit rigide ou flexible, présente une épaisseur appropriée pour supporter mécaniquement le polymère, par exemple une épaisseur micrométrique ou millimétrique, voire plus, selon l’application envisagée. Le polymère peut être fixé au substrat de manière à recouvrir, au moins en partie, la surface sur laquelle le dépôt de l’encre est envisagé. À cet égard, on peut avoir recours à des procédés connus de l’homme du métier, par exemple le collage, le thermocollage, la soudure par ultrasons, etc. Preferably, said polymer can be provided in the form of a thin layer. Many polymers of the above composition are available under this form in trade. By way of example, mention may be made of IlPILEX®. In such a configuration, it is preferable that the support, whether rigid or flexible, has an appropriate thickness to mechanically support the polymer, for example a micrometric or millimeter thickness, or even more, depending on the envisaged application. The polymer can be fixed to the substrate so as to cover, at least in part, the surface on which the deposition of the ink is envisaged. In this regard, recourse may be had to methods known to those skilled in the art, for example gluing, heat sealing, ultrasonic welding, etc.
En variante, ledit polymère peut être apporté/formulé sous forme d’une encre préalablement déposée sur un support. Dans ce cas, il est possible soit d’avoir recours à des encres disponibles dans le commerce soit de préparer une encre à base du polymère de la composition précitée comme cela sera vu dans les prochaines sections. De manière similaire à la configuration décrite précédemment, il est également préférable de prévoir un support présentant des dimensions et une forme appropriées pour réceptionner l’encre. Dans ce cas, il sera possible de déposer l’encre par différentes méthodes de dépôt connues de l’homme du métier qui seront plus explicités plus loin en relation avec la description de l’étape b) du procédé. As a variant, said polymer can be provided / formulated in the form of an ink previously deposited on a support. In this case, it is possible either to use commercially available inks or to prepare an ink based on the polymer of the above composition as will be seen in the next sections. Similar to the configuration described above, it is also preferable to provide a support having suitable dimensions and shape to receive the ink. In this case, it will be possible to deposit the ink by various depositing methods known to those skilled in the art which will be explained in more detail below in connection with the description of step b) of the process.
À titre d’exemple, le support peut être fait d’un polymère de type polyester saturé. De préférence, le polyester saturé est du poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) ou le poly(naphtalate d'éthylène) (PEN). Ces polymères très répandus peuvent se présenter sous des formes très variées. For example, the support can be made of a saturated polyester-type polymer. Preferably, the saturated polyester is poly (ethylene terephthalate) (PET) or poly (ethylene naphthalate) (PEN). These widely used polymers can come in a wide variety of forms.
Dans un second mode de réalisation de la présente invention, la surface du substrat comprend un hexose. Un hexose est une substance organique appartenant à la famille des glucides dont la chaîne carbonée comprend 6 atomes de carbone. De formule générale C6H12O6, les hexoses comprennent un très grand nombre de groupes hydroxyles liés aux atomes de carbone. Lorsqu’ils sont soumis à des températures élevées, les hexoses se dégradent en se dissociant au niveau de leurs liaisons C-OH. Les fragments moléculaires ainsi formés constituent un précurseur du graphène dans le procédé selon l’invention. Cela étant dit, dans des conditions normales de température et de pression, i.e. température ambiante et pression atmosphérique, les hexoses conservent une bonne stabilité dans le temps. À ce propos, précisons en premier lieu que la température de dégradation des hexoses est différente de leur température de fusion. Comme cela a été précisé précédemment, la température de dégradation correspond à la température à laquelle la structure moléculaire de ces substances commence à s’altérer, ce qui se traduit par des brisures dans leur structure moléculaire. Le point de fusion correspond, quant à lui, dans des conditions de pression données, à la température à laquelle ces substances passent de l’état solide à l’état liquide. Autrement dit, le point de fusion fournit une indication sur l’état desdites substances à une température et une pression données et, concomitamment, témoigne des changements déjà importants qui ont eu lieu dans leur structure. La température de dégradation des hexoses est donc généralement plus basse que leur point de fusion. Notons que la durée d’exposition à une température donnée influence également substantiellement le début du processus de dégradation. In a second embodiment of the present invention, the surface of the substrate comprises a hexose. A hexose is an organic substance belonging to the carbohydrate family whose carbon chain contains 6 carbon atoms. With the general formula C6H12O6, hexoses include a very large number of hydroxyl groups bonded to carbon atoms. When subjected to high temperatures, hexoses degrade by dissociating at their C-OH bonds. The molecular fragments thus formed constitute a precursor of graphene in the process according to the invention. That being said, under normal temperature and pressure conditions, ie ambient temperature and atmospheric pressure, the hexoses retain good stability over time. In this regard, let us first specify that the degradation temperature of hexoses is different from their melting point. As was specified previously, the degradation temperature corresponds to the temperature at which the molecular structure of these substances begins to deteriorate, which results in breaks in their molecular structure. The melting point corresponds, under given pressure conditions, to the temperature at which these substances pass from the solid state to the liquid state. In other words, the melting point provides an indication of the state of said substances at a given temperature and pressure and, concomitantly, testifies to the already significant changes which have taken place in their structure. The degradation temperature of hexoses is therefore generally lower than their melting point. Note that the duration of exposure to a given temperature also substantially influences the start of the degradation process.
À titre d’exemple, un hexose adapté pour la mise en oeuvre de l’invention est le glucose. Bien que la température de fusion du glucose soit située entre environ 146°C et 150°C, lorsqu’il est soumis à des températures comprises entre 110°C et 130°C, il forme déjà des sous-produits de dégradation. Plus la température et le temps du traitement thermique augmentent plus les sous-produits sont nombreux et diversifiés. On pourra par exemple se référer à l’article Woo et al., Préventive Nutrition and Food science, « Characteristics of the Thermal Dégradation of Glucose and Maltose Solutions », 2015. For example, a suitable hexose for practicing the invention is glucose. Although the melting temperature of glucose is between about 146 ° C and 150 ° C, when subjected to temperatures between 110 ° C and 130 ° C, it already forms degradation byproducts. The more the temperature and the time of the heat treatment increase, the more the by-products are numerous and diversified. For example, see the article Woo et al., Préventive Nutrition and Food science, "Characteristics of the Thermal Degradation of Glucose and Maltose Solutions", 2015.
Comme tous les hexoses, lorsque la température augmente bien au-delà de son point de fusion, des composés volatiles en faible quantité sont générés. Le nombre et la diversité des composés volatiles générés augmentent à mesure que la température à laquelle est soumise la substance augmente. Si un tel phénomène est bien susceptible de se produire dans le procédé selon l’invention, il est très limité car la surface de contact entre la substance et les nanoparticules est elle aussi très limitée du fait de la taille desdites nanoparticules. Like all hexoses, when the temperature rises well above its melting point, volatile compounds in small quantities are generated. The number and variety of volatile compounds generated increase as the temperature to which the substance is subjected increases. While such a phenomenon is very likely to occur in the process according to the invention, it is very limited because the contact surface between the substance and the nanoparticles is also very limited due to the size of said nanoparticles.
De plus, le glucose comme la plupart des hexoses est une substance stable chimiquement à pression atmosphérique sur une gamme de températures relativement importante. Ce n’est pas forcément le cas de l’acide citrique, par exemple, qui lorsqu’il est utilisé comme source de carbone requiert des traitements spécifiques (Ex : lyophilisation et généralement procédés de congélation-séchage) pour contrôler sa dégradation à très basse température (température inférieure à 80°C). In addition, glucose, like most hexoses, is a substance which is chemically stable at atmospheric pressure over a relatively wide range of temperatures. This is not necessarily the case with citric acid, for example, which when used as a carbon source requires specific treatments. (Ex: lyophilization and generally freezing-drying processes) to control its degradation at very low temperature (temperature below 80 ° C).
En tout état de cause, comme cela sera vu plus en détail dans la suite, la température à laquelle sont portées les nanoparticules lorsqu’elles sont exposées à la lumière pulsée peut être ajustée de manière à tenir compte de la température à laquelle se décompose la matière dont est faite la surface du substrat mais aussi celle à laquelle le processus de solubilisation ou de diffusion dans les nanoparticules est effectif. In any event, as will be seen in more detail below, the temperature to which the nanoparticles are brought when they are exposed to pulsed light can be adjusted so as to take into account the temperature at which the substance decomposes. material from which the surface of the substrate is made but also that to which the process of solubilization or diffusion in the nanoparticles is effective.
Un autre hexose adapté pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention est le fructose. Le fructose est préféré au glucose car en se dégradant, il libère davantage d’atomes de carbones que le glucose. Another hexose suitable for carrying out the process according to the invention is fructose. Fructose is preferred over glucose because as it breaks down, it releases more carbon atoms than glucose.
Contrairement au premier mode de réalisation dans lequel le substrat peut être fait entièrement du polymère, l’hexose utilisé dans ce mode de réalisation de l’invention est nécessairement déposé sur un support avant de pouvoir être utilisé comme surface de dépôt pour l’encre contenant les nanoparticules. Selon une mise en oeuvre particulière, quelle que soit la substance envisagée, i.e. fructose, glucose, etc., le substrat est préparé selon le mode opératoire qui suit. On prépare un mélange comprenant de l’eau et l’hexose, puis on dépose ledit mélange sur un support, flexible ou rigide, d’épaisseur appropriée. On laisse le mélange ainsi déposé sécher jusqu’à évaporation complète de l’eau. On obtient ainsi un substrat comprenant le support et l’hexose sur la surface du substrat destiné à réceptionner l’encre comprenant les nanoparticules. Unlike the first embodiment in which the substrate can be made entirely of the polymer, the hexose used in this embodiment of the invention is necessarily deposited on a support before it can be used as a deposition surface for the ink containing. nanoparticles. According to a particular implementation, whatever the substance envisaged, i.e. fructose, glucose, etc., the substrate is prepared according to the operating mode which follows. A mixture comprising water and hexose is prepared, then said mixture is deposited on a support, flexible or rigid, of appropriate thickness. The mixture thus deposited is allowed to dry until the water has completely evaporated. A substrate is thus obtained comprising the support and the hexose on the surface of the substrate intended to receive the ink comprising the nanoparticles.
Dans un troisième mode de réalisation de la présente invention, la surface du substrat comprend des nanoparticules de carbone. Dans ce cas, ce sont les nanoparticules de carbone qui ont le rôle de précurseur de carbone. La graphitisation des nanoparticules de l’encre est plus lente qu’en utilisant les substrats selon les modes de réalisation décrits précédemment. Toutefois, elle est rendue possible car le carbone présent à la surface des nanoparticules de carbone diffuse très facilement, ce qui permet de former localement la coquille en graphène des nanoparticules de l’encre. In a third embodiment of the present invention, the surface of the substrate comprises carbon nanoparticles. In this case, it is the carbon nanoparticles which have the role of carbon precursor. The graphitization of the ink nanoparticles is slower than using the substrates according to the embodiments described above. However, it is made possible because the carbon present on the surface of the carbon nanoparticles diffuses very easily, which makes it possible to locally form the graphene shell of the ink nanoparticles.
Selon une mise en oeuvre particulière de l’invention, les nanoparticules de carbone sont déposées sous forme de couche mince par tout procédé connu dans l’art, par exemple par ablation laser de graphite, par création de défauts dans du diamant au moyen d’un faisceau d’ions, par décomposition thermique de composés organique, etc. À ce propos, précisons que les nanoparticules ne sont pas toujours pures puisqu’elles peuvent éventuellement comprendre en proportions variées du graphite. According to a particular implementation of the invention, the carbon nanoparticles are deposited in the form of a thin layer by any method known in the art, for example by laser ablation of graphite, by creation of defects in carbon. diamond by means of an ion beam, by thermal decomposition of organic compounds, etc. In this regard, it should be noted that nanoparticles are not always pure since they may possibly include graphite in various proportions.
Dans un quatrième mode de réalisation de la présente invention, la surface du substrat comprend des monocouches auto-assemblées (également connues sous l’abréviation SAM) comprenant des cycles aromatiques. Les monocouches auto assemblées sont des assemblages de molécules formés sur les surfaces d’un substrat ou d’une couche par adsorption. L’adsorption, qui ne doit en aucun cas être confondue avec l’absorption, est le processus physique par lequel des molécules se fixent sur une surface solide. Dans le cadre de ce mode de réalisation de l’invention il s’agit de molécules, mais ce phénomène peut également avoir lieu avec des atomes ou des ions. In a fourth embodiment of the present invention, the surface of the substrate comprises self-assembled monolayers (also known by the abbreviation SAM) comprising aromatic rings. Self-assembled monolayers are assemblages of molecules formed on the surfaces of a substrate or layer by adsorption. Adsorption, which should not be confused with absorption, is the physical process by which molecules attach themselves to a solid surface. In the context of this embodiment of the invention, these are molecules, but this phenomenon can also take place with atoms or ions.
Dans les monocouches auto-assemblées du type précité, c’est-à-dire comprenant des cycles aromatiques, chaque molécule comprend une tête, également appelée fonction d’accroche, destinée à être adsorbée sur le substrat par liaison intramoléculaire et une queue, également appelée espaceur, comprenant des cycles aromatiques. L’extrémité de la queue pourra être fonctionnalisée pour changer l’énergie de surface (par exemple en greffant des liaisons -OH après un traitement plasma O2). L’utilisation de cycles aromatiques dans les monocouches auto assemblées permet d’obtenir un pouvoir de recouvrement de la surface plus important que des monocouches auto-assemblées dont la queue comprend des cycles alkyles du fait de leurs liaisons tt-p intermoléculaire plus fortes. In self-assembled monolayers of the aforementioned type, that is to say comprising aromatic rings, each molecule comprises a head, also called an attachment function, intended to be adsorbed on the substrate by intramolecular binding and a tail, also called a spacer, comprising aromatic rings. The end of the tail can be functionalized to change the surface energy (for example by grafting -OH bonds after an O2 plasma treatment). The use of aromatic rings in self-assembled monolayers provides greater surface covering power than self-assembled monolayers whose tails include alkyl rings due to their stronger intermolecular tt-p bonds.
Des exemples de monocouches auto-assemblées convenant à la mise en oeuvre du présent mode de réalisation de l’invention sont à base d’hexadecane thiol (HDT), de biphenyl-4-thiol (BPT), de 1 , 1 ’-biphenyM -4-thiol (BPTC), de tolanethioacetate (TTA), de tolane disulfide (TDS), de tolane methyl sulfide (TMS). De préférence, on utilisera des monocouches du type précité à base de groupes thiol qui, outre le fait d’être les plus étudiés dans les applications électroniques, peuvent être déposés par voie liquide ou par voie gazeuse par évaporation sous vide. Examples of self-assembled monolayers suitable for carrying out the present embodiment of the invention are based on hexadecane thiol (HDT), biphenyl-4-thiol (BPT), 1, 1 '-biphenyM -4-thiol (BPTC), tolanethioacetate (TTA), tolan disulfide (TDS), tolane methyl sulfide (TMS). Preferably, monolayers of the aforementioned type based on thiol groups will be used which, in addition to being the most studied in electronic applications, can be deposited by liquid or by gas by vacuum evaporation.
Selon une mise en oeuvre particulière, les monocouches auto-assemblées ne comprennent que des cycles aromatiques. On s’intéresse maintenant aux caractéristiques de l’encre comportant les nanoparticules dans le cas où la source de carbone appartient à l’encre, c’est-à-dire est comprise dans ladite encre. According to a particular implementation, the self-assembled monolayers only comprise aromatic rings. We are now interested in the characteristics of the ink comprising the nanoparticles in the case where the carbon source belongs to the ink, that is to say is included in said ink.
Selon un cinquième mode de réalisation de la présente invention, l’encre comprenant les nanoparticules comprend aussi l’une des matières précitées. Il s’agit d’une des matières visées dans les modes de réalisation qui précèdent, à savoir un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique ou un hexose ou des nanoparticules de carbone ou des monocouches auto-assemblées comprenant des cycles aromatiques. À ce propos, on entend par « encre » une substance fluide, de préférence liquide ou faiblement visqueuse, destinée à être déposée sur la surface du substrat. L’encre présente une composition spécifique qui lui confère des propriétés permettant son utilisation dans le cadre de la présente invention. According to a fifth embodiment of the present invention, the ink comprising the nanoparticles also comprises one of the aforementioned materials. This is one of the materials targeted in the preceding embodiments, namely a polymer comprising an amide function and an aromatic function or a hexose or carbon nanoparticles or self-assembled monolayers comprising aromatic rings. In this connection, the term “ink” is understood to mean a fluid substance, preferably liquid or of low viscosity, intended to be deposited on the surface of the substrate. The ink has a specific composition which gives it properties allowing it to be used in the context of the present invention.
Dans le cas où l’encre comportant les nanoparticules comprend également un polymère de la composition précitée, on parle d’encre « polymérique » comprenant au moins un polymère comportant la fonction amide et la fonction aromatique. L’encre peut également comporter des additifs tels que de l’eau, des solvants, des liants, des agents dispersants ou encore des promoteurs d’adhésion. Par exemple, si l’on envisage de déposer l’encre sur la surface du substrat au moyen de la technique d’impression à jet d’encre on pourra utiliser des additifs pour améliorer la résolution de l’impression à jet d’encre. De préférence, le polymère comportant la fonction amide et la fonction aromatique utilisé dans l’encre peut se présenter sous forme d’un « vernis », ce qui facilite son dépôt sur le substrat. Un vernis correspondant à une telle mise en oeuvre est par exemple l’encre PI-6643-001 de JNC. In the case where the ink comprising the nanoparticles also comprises a polymer of the aforementioned composition, one speaks of "polymeric" ink comprising at least one polymer comprising the amide function and the aromatic function. The ink can also include additives such as water, solvents, binders, dispersing agents or adhesion promoters. For example, if one plans to deposit ink on the surface of the substrate using the inkjet printing technique, additives may be used to improve the resolution of inkjet printing. Preferably, the polymer comprising the amide function and the aromatic function used in the ink can be in the form of a "varnish", which facilitates its deposition on the substrate. A varnish corresponding to such an implementation is, for example, ink PI-6643-001 from JNC.
Dans le cas où l’encre comportant les nanoparticules comprend également un hexose, il suffit d’ajouter à l’encre comportant les nanoparticules une solution obtenue par dilution de l’hexose en question, par exemple fructose ou glucose, dans l’eau. Ces derniers présentent en effet une très bonne solubilité dans l’eau, ce qui facilite leur utilisation sous forme liquide. In the event that the ink comprising the nanoparticles also comprises a hexose, it suffices to add to the ink comprising the nanoparticles a solution obtained by diluting the hexose in question, for example fructose or glucose, in water. The latter indeed have very good solubility in water, which facilitates their use in liquid form.
Dans le cas où l’encre comportant les nanoparticules comprend également les nanoparticules de carbone, il convient de bien distinguer les nanoparticules à graphitiser des nanoparticules formant le précurseur de carbone. Des encres à base de carbone ou de mélange carbone/graphite sont disponibles dans le commerce et peuvent être utilisées en combinaison avec l’encre comportant les nanoparticules à graphitiser. Il est également possible de synthétiser une encre comportant les deux types de nanoparticules. Dans ce cas, on peut se référer à la partie de la description en relation avec l’étape a) du procédé selon l’invention décrivant la synthèse de l’encre comportant les nanoparticules. Des additifs peuvent être utilisés. In the case where the ink comprising the nanoparticles also comprises the carbon nanoparticles, it is necessary to clearly distinguish the nanoparticles to be graphitized from the nanoparticles forming the carbon precursor. Carbon based or carbon / graphite blend inks are commercially available and can be used in combination with the ink comprising the nanoparticles to be graphitized. It is also possible to synthesize an ink comprising the two types of nanoparticles. In this case, reference may be made to the part of the description in relation to step a) of the method according to the invention describing the synthesis of the ink comprising the nanoparticles. Additives can be used.
Dans le cas où l’encre comportant les nanoparticules comprend également les monocouches auto-assemblées du type précité, il suffit d’ajouter à l’encre comportant les nanoparticules une solution comportant les monocouches auto-assemblées du type précité. En effet, la plupart des monocouches auto-assemblées du type précité se présentent sous la forme de substances liquides. Il est ensuite possible de déposer l’encre par voie liquide au moyen des techniques de dépôt qui sont présentées plus en détail dans la suite de la présente description. In the case where the ink comprising the nanoparticles also includes the self-assembled monolayers of the above type, it suffices to add to the ink comprising the nanoparticles a solution comprising the self-assembled monolayers of the above type. In fact, most of the self-assembled monolayers of the aforementioned type are in the form of liquid substances. It is then possible to deposit the ink by liquid means by means of the deposition techniques which are presented in more detail in the remainder of this description.
Rappelons qu’il est tout à fait envisageable, comme précisé en relation avec le premier mode de réalisation décrit ci-dessus d’apporter l’encre polymérique comportant la fonction amide et la fonction aromatique en vue de la formation de la surface du substrat indépendamment de l’encre comportant les nanoparticules à graphitiser. Cela est tout aussi valable pour tous les autres précurseurs de carbone envisagés dans le cadre de la présente invention. En d’autres termes, les SAM pourraient être apportés sous forme d’encre, de même que les nanoparticules de carbone ou l’hexose. Remember that it is quite possible, as specified in relation to the first embodiment described above, to provide the polymeric ink comprising the amide function and the aromatic function with a view to forming the surface of the substrate independently. ink comprising the nanoparticles to be graphitized. This is equally valid for all the other carbon precursors envisaged in the context of the present invention. In other words, SAMs could be delivered as ink, as could carbon nanoparticles or hexose.
Dans ce qui suit sont décrites plus en détail les différentes étapes du procédé selon l’invention. In what follows, the various steps of the process according to the invention are described in more detail.
Comme cela a été vu en introduction de cette description détaillée, la première étape a) du procédé consiste non seulement à fournir un substrat tel que décrit dans les sections qui précèdent mais aussi à fournir une encre comportant des nanoparticules aptes à absorber la lumière, les nanoparticules étant encapsulées dans une matrice polymérique. As seen in the introduction to this detailed description, the first step a) of the process consists not only in providing a substrate as described in the preceding sections but also in providing an ink comprising nanoparticles capable of absorbing light, nanoparticles being encapsulated in a polymer matrix.
Il est possible soit d’utiliser une encre disponible dans le commerce soit de fabriquer l’encre. It is possible to either use a commercially available ink or to manufacture the ink.
La synthèse d’une encre comprenant des nanoparticules métalliques est un procédé connu de l’art antérieur. Dans ce cas, il faut prévoir une étape de synthèse des nanoparticules et une étape de formulation de l’encre. Pour une telle mise en œuvre, on peut se référer notamment à la demande de brevet FR 3 041 649 A1 qui décrit un procédé de fabrication d’une encre à base de nanoparticules métalliques. The synthesis of an ink comprising metallic nanoparticles is a process known from the prior art. In this case, it is necessary to provide a step of synthesis of the nanoparticles and a step of formulation of the ink. For such a setting In particular, reference may be made to patent application FR 3 041 649 A1 which describes a process for manufacturing an ink based on metallic nanoparticles.
Selon l’invention, les nanoparticules de l’encre sont faites d’un matériau apte à absorber la lumière. De manière avantageuse, les nanoparticules présentent une très bonne, voire une excellente absorption de la lumière. Comme cela sera vu plus loin, la capacité des nanoparticules à absorber a lumière est un prérequis pour qu’elles puissent s’échauffer lorsqu’elles sont soumises à un flux lumineux et pour ainsi permettre l’élaboration du matériau composite. According to the invention, the nanoparticles of the ink are made of a material capable of absorbing light. Advantageously, the nanoparticles exhibit very good, even excellent absorption of light. As will be seen below, the ability of nanoparticles to absorb light is a prerequisite for them to be able to heat up when subjected to a luminous flux and thus to allow the preparation of the composite material.
La capacité des nanoparticules de l’encre à absorber la lumière dépend de deux facteurs. Le premier est la nature même du matériau dont sont faites lesdites nanoparticules. Le second tient dans leur composition et leur structure, notamment en surface. The ability of ink nanoparticles to absorb light depends on two factors. The first is the very nature of the material from which said nanoparticles are made. The second is in their composition and structure, especially on the surface.
De préférence les nanoparticules sont faites d’un métal. Le matériau pour former les nanoparticules peut alors être, de préférence, à base de gallium (Ga), d’indium (In), de bismuth (Bi), de platine (Pt), de fer (Fe), de nickel (Ni), de plomb (Pb), de cuivre (Cu), de titane (Ti), manganèse (Mg), de vanadium (V), de magnésium (Mg), d’aluminium (Al), d’argent (Ag), d’or (Au) ou de zinc (Zn). Si les premiers métaux cités ont pour point commun de présenter une bonne absorption optique, en plus d’avoir des points de fusion bas voire très bas, l’étain (Sn) présente une bien meilleure absorption tout en ayant une température de fusion relativement basse (231 , 9°C). Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, le matériau dont sont faites les nanoparticules, lorsqu’elles sont métalliques, est à base d’étain. Preferably the nanoparticles are made of a metal. The material for forming the nanoparticles can then preferably be based on gallium (Ga), indium (In), bismuth (Bi), platinum (Pt), iron (Fe), nickel (Ni ), lead (Pb), copper (Cu), titanium (Ti), manganese (Mg), vanadium (V), magnesium (Mg), aluminum (Al), silver (Ag) , gold (Au) or zinc (Zn). If the first metals mentioned have the common point of having good optical absorption, in addition to having low or even very low melting points, tin (Sn) has a much better absorption while having a relatively low melting temperature. (231.9 ° C). Thus, in a preferred embodiment, the material of which the nanoparticles are made, when they are metallic, is tin-based.
En variante, les nanoparticules sont faites d’un semi-conducteur. Dans ce cas, le matériau semi-conducteur choisi pour former les nanoparticules est, de préférence, à base de silicium (Si) ou de germanium (Ge). Le silicium est un matériau semi- conducteur qui, outre le fait qu’il est très abondant, présente une très bonne absorption optique. De plus, son absorption optique peut être accrue par l’insertion de dopants. Alternatively, the nanoparticles are made from a semiconductor. In this case, the semiconductor material chosen to form the nanoparticles is preferably based on silicon (Si) or germanium (Ge). Silicon is a semiconductor material which, besides being very abundant, has very good optical absorption. In addition, its optical absorption can be increased by the insertion of dopants.
En variante, les nanoparticules peuvent être faites d’un alliage, c’est-à-dire d’un mélange de différents matériaux. Dans tous les cas, ce qui importe est que le matériau soit apte à absorber la lumière. Alternatively, the nanoparticles can be made of an alloy, that is, a mixture of different materials. In any case, what matters is that the material is able to absorb light.
En outre, comme cela a été mentionné précédemment, les nanoparticules sont encapsulées dans une matrice polymérique. En effet, afin de permettre une bonne absorption de la lumière par les nanoparticules et in fine synthétiser un matériau composite tel que décrit précédemment, il est nécessaire de prévenir ou au moins de limiter la formation d’une couche d’oxyde à la surface des matériaux métalliques ou semi-conducteurs lorsqu’ils sont exposés à l’atmosphère. In addition, as mentioned previously, the nanoparticles are encapsulated in a polymeric matrix. Indeed, in order to allow a good absorption of light by the nanoparticles and ultimately synthesize a composite material as described above, it is necessary to prevent or at least limit the formation of an oxide layer on the surface of metallic or semiconductor materials when they are exposed to the atmosphere.
Rappelons que cette couche d’oxyde native, souvent appelée « contamination de surface », qui se forme naturellement à la surface des matériaux précités crée des défauts de nature structurelle sur la couche superficielle du matériau en contact avec l’atmosphère. Ces défauts sont par exemple des impuretés, des lacunes, du désordre, etc. En tout état de cause, en présence de tels défauts, les nanoparticules diffuseraient davantage la lumière qu’en leur absence. Cela étant dit, dans tous les cas, il convient de réduire l’épaisseur de cette couche d’oxyde native afin de limiter la diffusion de la lumière, néfaste pour une bonne absorption de la lumière. Remember that this native oxide layer, often called "surface contamination", which forms naturally on the surface of the aforementioned materials, creates structural defects on the surface layer of the material in contact with the atmosphere. These defects are, for example, impurities, gaps, disorder, etc. In any case, in the presence of such defects, nanoparticles would scatter more light than in their absence. That being said, in all cases, it is advisable to reduce the thickness of this native oxide layer in order to limit the diffusion of light, which is detrimental for good light absorption.
L’étape a) de synthèse de l’encre mise en oeuvre dans le procédé selon l’invention permet donc de limiter voire d’éviter la formation de la couche d’oxyde. Step a) of synthesis of the ink used in the process according to the invention therefore makes it possible to limit or even avoid the formation of the oxide layer.
La « matrice polymérique » est ici une matière à base d’un ou plusieurs polymères permettant de supporter et lier les nanoparticules. L’encapsulation des nanoparticules dans la matrice polymérique permet de limiter le contact des nanoparticules avec l’atmosphère et donc de limiter voire prévenir le processus de formation de la couche d’oxyde, comme indiqué précédemment. Dans un mode préférentiel de réalisation de l’invention dans lequel les nanoparticules sont en étain, la matrice polymérique peut être en polyvinyle pyrrolidone (PVP). Ce polymère est avantageusement un agent dispersant, ce qui permet d’éviter en outre l’agglomération de plusieurs nanoparticules, en plus de former un support et un liant pour lesdites nanoparticules. The "polymer matrix" is here a material based on one or more polymers making it possible to support and bind the nanoparticles. The encapsulation of the nanoparticles in the polymer matrix makes it possible to limit the contact of the nanoparticles with the atmosphere and therefore to limit or even prevent the process of formation of the oxide layer, as indicated above. In a preferred embodiment of the invention in which the nanoparticles are made of tin, the polymer matrix can be made of polyvinyl pyrrolidone (PVP). This polymer is advantageously a dispersing agent, which also makes it possible to avoid the agglomeration of several nanoparticles, in addition to forming a support and a binder for said nanoparticles.
Selon une mise en oeuvre préférée, l’étape préalable de synthèse des nanoparticules peut être effectuée sous atmosphère contrôlée. Cela permet de limiter encore plus le processus de formation de la couche d’oxyde native au moment de l’encapsulation sous matrice de polymère(s). On entend par « atmosphère contrôlée », une atmosphère dont la composition permet de limiter le processus de formation de la couche d’oxyde. Par exemple, l’atmosphère peut être contrôlée en ce qu’elle est pauvre en oxygène, par rapport au taux d’oxygène typiquement contenu dans l’air. Cet appauvrissement peut être effectué par un apport de gaz neutre mais par tout autre procédé connu de l’homme de l’art. Par exemple, cette étape peut être réalisée sous boîte à gant, la boîte à gant permettant typiquement d’effectuer ce type d’opérations sous atmosphère contrôlée. According to a preferred implementation, the preliminary step of synthesizing the nanoparticles can be carried out under a controlled atmosphere. This makes it possible to further limit the process of formation of the native oxide layer at the time of encapsulation under a matrix of polymer (s). The term “controlled atmosphere” is understood to mean an atmosphere whose composition makes it possible to limit the process of formation of the oxide layer. For example, the atmosphere can be controlled in that it is poor in oxygen, relative to the level of oxygen typically contained in the air. This depletion can be carried out by a supply of neutral gas but by any other method known to those skilled in the art. For example, this step can be carried out in a glove box, the glove box typically allowing this type of operation to be carried out in a controlled atmosphere.
Comme cela a été vu en introduction de cette description détaillée, la deuxième étape b) du procédé selon l’invention consiste à déposer l’encre comportant les nanoparticules sur la surface du substrat. Comme cela sera vu en détail dans la suite, la méthode utilisée pour déposer l’encre n’est pas limitative dans le cadre de la présente invention. As seen in the introduction to this detailed description, the second step b) of the method according to the invention consists in depositing the ink comprising the nanoparticles on the surface of the substrate. As will be seen in detail below, the method used to deposit the ink is not limiting in the context of the present invention.
Selon une mise en oeuvre préférée, lors de l’étape b), le dépôt est effectué par impression. L’impression permet de pouvoir réaliser un dépôt avec une résolution plus importante que celle classiquement obtenue avec d’autres techniques de dépôt. Il est à noter que l’impression peut être utilisée même si la surface du substrat a été préalablement déposée par impression sur un support, tel que précédemment décrit. Il faut cependant veiller à ce que le processus de séchage soit terminé. According to a preferred implementation, during step b), the deposition is carried out by printing. Printing makes it possible to deposit with a higher resolution than that conventionally obtained with other deposit techniques. It should be noted that printing can be used even if the surface of the substrate has been previously deposited by printing on a support, as previously described. However, care must be taken to ensure that the drying process is completed.
Dans le cas du procédé d’impression à jet d’encre, l’encre comportant les nanoparticules est, de préférence, imprimée au moyen d’une imprimante à jet d’encre. In the case of the inkjet printing process, the ink comprising the nanoparticles is preferably printed using an inkjet printer.
En référence à la figure 2, lors de l’impression par jet d’encre, la distance di entre une buse d’éjection 20 de l’imprimante à jet d’encre et la surface du substrat 12, est avantageusement comprise entre 250 pm et 1 ,5 mm, de préférence entre 500 pm et 800 pm. On peut sans doute préciser à ce stade que le substrat 10 repose de préférence sur un plateau (non illustré). Cela étant dit, ici, ce dont il est question est la distance entre la buse d’éjection de l’imprimante et la surface 12 du substrat tournée vers la buse d’éjection 20 de l’imprimante. Ce paramètre opératoire permet de contrôler le « temps de vol » du(es) jet(s) et influence donc la forme du(es)dit(s) jet(s). Lorsque la distance entre la buse d’éjection de l’imprimante et le plateau est comprise entre 500 et 800 pm, on favorise encore plus la formation de jets se présentant sous forme de gouttes. Referring to Figure 2, during inkjet printing, the distance di between an ejection nozzle 20 of the inkjet printer and the surface of the substrate 12 is advantageously between 250 μm and 1.5 mm, preferably between 500 µm and 800 µm. It can probably be specified at this stage that the substrate 10 preferably rests on a plate (not illustrated). That being said, what we are talking about here is the distance between the printer ejection nozzle and the surface 12 of the substrate facing towards the printer ejection nozzle 20. This operating parameter makes it possible to control the “time of flight” of the jet (s) and therefore influences the shape of the said jet (s). When the distance between the printer ejection nozzle and the platen is between 500 and 800 µm, the formation of jets in the form of drops is further promoted.
À ce propos, pour une forme d’onde 22 de tension prédéterminée, la tension d’éjection des nanoparticules influence également la forme des jets. À titre préférentiel, la tension appliquée pour l’éjection des nanoparticules (sous forme d’encre) est comprise entre 15 V et 19 V pour une imprimante DMP-2800, Dimatix. Cela permet de générer des gouttes d’encre de forme sphérique et aptes à se déplacer de manière rectiligne entre la buse d’éjection de l’imprimante et le plateau sur lequel repose le substrat à la même vitesse. De plus, les gouttes ne se disloquent pas au cours du trajet entre la buse d’éjection et le substrat. In this regard, for a waveform 22 of predetermined voltage, the ejection voltage of the nanoparticles also influences the shape of the jets. Preferably, the voltage applied for ejection of the nanoparticles (in ink form) is between 15 V and 19 V for a DMP-2800 printer, Dimatix. This makes it possible to generate ink drops of spherical shape and able to move in such a way. rectilinear between the printer ejection nozzle and the platen on which the substrate rests at the same speed. In addition, the drops do not break up during the journey between the ejection nozzle and the substrate.
Avantageusement, l’encre présente une tension superficielle inférieure à l’énergie de surface du substrat. Ainsi, lorsque les jets d’encre arrivent à la surface du substrat, ils s’étalent sur ladite surface du substrat. Quoiqu’il en soit, à la fin de l’étape b), on obtient un empilement comprenant au moins le substrat et un motif comprenant l’encre comportant les nanoparticules déposé par l’imprimante à jet d’encre. Si la surface du substrat a été déposée sur un support tel que décrit précédemment (collage, thermocollage, ultrasons, impression à jet d’encre, etc.), il faut tenir compte de la couche additionnelle formée dans l’empilement, celle-ci étant nécessairement positionnée entre le motif formé par l’encre et le support. Advantageously, the ink has a surface tension lower than the surface energy of the substrate. Thus, when the ink jets reach the surface of the substrate, they spread over said surface of the substrate. Anyway, at the end of step b), a stack is obtained comprising at least the substrate and a pattern comprising the ink comprising the nanoparticles deposited by the inkjet printer. If the surface of the substrate has been deposited on a support as described previously (bonding, heat sealing, ultrasound, inkjet printing, etc.), the additional layer formed in the stack must be taken into account, this one being necessarily positioned between the pattern formed by the ink and the support.
L’impression de l’encre comportant les nanoparticules peut également être mise en oeuvre par aérosol, héliographie, sérigraphie ou encore flexographie. Ces techniques d’impression sont tout aussi compatibles pour la mise en oeuvre de l’étape b) du procédé selon l’invention. The printing of the ink comprising the nanoparticles can also be carried out by aerosol, heliography, screen printing or even flexography. These printing techniques are just as compatible for the implementation of step b) of the process according to the invention.
Préférentiellement, à la fin de l’étape b), si l’encre comportant les nanoparticules a été imprimée, on prévoit une étape de séchage de l’encre. Cela dit, ce n’est pas obligatoire. En effet, comme cela sera décrit plus en détail dans la suite, la lumière pulsée permet de sécher l’encre dans les conditions opératoires requises pour l’étape d’illumination. Preferably, at the end of step b), if the ink comprising the nanoparticles has been printed, a step of drying the ink is provided. However, it is not mandatory. Indeed, as will be described in more detail below, the pulsed light allows the ink to dry under the operating conditions required for the illumination step.
Le dépôt peut également être effectué par d’autres procédés d’impression telle que l’impression par laser (« Laser Induced Forward Transfer », LIFT, en anglais). L’impression par laser consiste à irradier, au moyen d’un faisceau laser, un substrat comprenant la matière à déposer de manière à permettre le transfert de ladite matière depuis le substrat vers un substrat sur lequel la matière est destinée à être déposée avec une résolution micrométrique. Le substrat comprenant la matière à déposer est appelé substrat donneur tandis que le substrat recevant la matière après irradiation est appelé substrat receveur. Cette technique permet d’effectuer des dépôts avec une résolution de l’ordre de l’ordre de la dizaine de micromètre à quelques dizaines de micromètres. Le dépôt peut également être effectué par enduction centrifuge (« spin coating » en anglais), par enduction par trempage (« dip coating » en anglais), par dépôt à la goutte (« drop casting » en anglais), par la méthode de dépôt de Langmuir- Blodgett (« Langmuir Blodgett Déposition » en anglais) ou encore par coulage en bande (« doctor blading » en anglais). The deposition can also be carried out by other printing processes such as laser printing (“Laser Induced Forward Transfer”, LIFT, in English). Laser printing consists of irradiating, by means of a laser beam, a substrate comprising the material to be deposited so as to allow the transfer of said material from the substrate to a substrate on which the material is intended to be deposited with a micrometric resolution. The substrate comprising the material to be deposited is called the donor substrate while the substrate receiving the material after irradiation is called the recipient substrate. This technique makes it possible to carry out deposits with a resolution of the order of about ten micrometers to a few tens of micrometers. The deposition can also be carried out by centrifugal coating ("spin coating" in English), by dip coating ("dip coating" in English), by drop casting, by the deposition method by Langmuir-Blodgett (“Langmuir Blodgett Deposition” in English) or by tape casting (“doctor blading” in English).
Suite à l’étape b) de dépôt de l’encre comportant les nanoparticules sur la surface du substrat, le procédé selon l’invention comprend une étape c) consistant à illuminer le substrat avec une lumière pulsée pour porter les nanoparticules comprises dans l’encre à une température d’échauffement supérieure à une température de dissociation du carbone compris à la surface du substrat. Les nanoparticules visées sont les nanoparticules à graphitiser. Cette étape est un recuit photonique. Following step b) of depositing the ink comprising the nanoparticles on the surface of the substrate, the method according to the invention comprises a step c) consisting in illuminating the substrate with pulsed light to carry the nanoparticles included in the ink at a heating temperature greater than a dissociation temperature of the carbon comprised at the surface of the substrate. The nanoparticles targeted are the nanoparticles to be graphitized. This step is a photonic annealing.
Lors de l’étape c), les nanoparticules étant exposées à la lumière pulsée, elles absorbent l’énergie électromagnétique générée par la lumière pulsée, c’est-à-dire qu’elles absorbent l’énergie des photons. En effet, comme cela a déjà été mentionné précédemment, les nanoparticules sont aptes à absorber de la lumière. Ceci a pour conséquence de générer une augmentation de la température des nanoparticules. Les nanoparticules peuvent emmagasiner de l’énergie jusqu’à atteindre des températures supérieures à 1000°C. Cet échauffement des nanoparticules a pour conséquence d’entraîner à son tour une élévation de la température de la surface du substrat aux interfaces avec lesdites nanoparticules. Cela permet de dissocier localement les molécules de la surface du substrat, de « détacher » le carbone de la surface du substrat, et subséquemment de générer localement la diffusion ou la solubilisation des atomes de carbone de la surface du substrat dans les nanoparticules, notamment à la périphérie des nanoparticules. Il faut typiquement moins d’une seconde pour que la température des nanoparticules s’élève et pour que subséquemment les phénomènes précités se produisent. In step c), the nanoparticles being exposed to pulsed light, they absorb the electromagnetic energy generated by the pulsed light, that is, they absorb the energy of photons. Indeed, as has already been mentioned previously, the nanoparticles are capable of absorbing light. This has the consequence of generating an increase in the temperature of the nanoparticles. Nanoparticles can store energy up to temperatures above 1000 ° C. This heating of the nanoparticles has the consequence of causing in turn an increase in the temperature of the surface of the substrate at the interfaces with said nanoparticles. This makes it possible to locally dissociate the molecules from the surface of the substrate, to "detach" the carbon from the surface of the substrate, and subsequently to locally generate the diffusion or the solubilization of the carbon atoms from the surface of the substrate in the nanoparticles, in particular at the periphery of the nanoparticles. It typically takes less than a second for the temperature of the nanoparticles to rise and for the above phenomena to occur subsequently.
En outre, l’élévation de la température des nanoparticules peut permettre un changement d’état des nanoparticules elles-mêmes au cours d’un processus de fusion, ce qui peut faciliter l’insertion ou la solubilisation du carbone dans la nanoparticule. C’est par exemple le cas lorsque les nanoparticules sont faites en indium, dont le point de fusion est d’environ 156,7°C, ou en gallium, dont le point de fusion est d’environ 29,8°C ou encore l’étain dont le point de fusion est d’environ 231 ,9°C. Ce processus de fusion est donc photo-induit. À cet égard, l’amplitude, la fréquence et le nombre de puises sont sélectionnés pour assurer un échauffement des nanoparticules et ainsi permettre la dégradation des molécules de la surface du substrat situées à l’interface avec les nanoparticules afin qu’elles libèrent le carbone qu’elles contiennent, c’est-à-dire de sorte à dissocier le carbone de la surface du substrat compris à l’interface entre les nanoparticules et la surface du substrat. In addition, raising the temperature of the nanoparticles can allow a change in state of the nanoparticles themselves during a melting process, which can facilitate the insertion or solubilization of carbon in the nanoparticle. This is for example the case when the nanoparticles are made of indium, whose melting point is around 156.7 ° C, or of gallium, whose melting point is around 29.8 ° C or else tin with a melting point of about 231.9 ° C. This fusion process is therefore photo-induced. In this regard, the amplitude, frequency and number of pulses are selected to ensure heating of the nanoparticles and thus allow the degradation of the molecules of the surface of the substrate located at the interface with the nanoparticles so that they release the carbon. that they contain, that is to say so as to dissociate the carbon from the surface of the substrate included at the interface between the nanoparticles and the surface of the substrate.
La conséquence étant de permettre la diffusion ou la solubilisation des atomes de carbone venant du substrat dans les nanoparticules, notamment à la périphérie des nanoparticules. En pratique, on cherche à porter les nanoparticules à une température suffisante pour permettre la dégradation des molécules de la surface du substrat situées à l’interface avec les nanoparticules et permettre la diffusion ou la solubilisation des atomes de carbone. En d’autres termes, la température atteinte par les nanoparticules est un paramètre de contrôle qui permet d’obtenir les avantages précités. The consequence being to allow the diffusion or the solubilization of the carbon atoms coming from the substrate in the nanoparticles, in particular at the periphery of the nanoparticles. In practice, the aim is to bring the nanoparticles to a temperature sufficient to allow the degradation of the molecules on the surface of the substrate located at the interface with the nanoparticles and to allow the diffusion or the solubilization of the carbon atoms. In other words, the temperature reached by the nanoparticles is a control parameter that achieves the above advantages.
Rappelons que l’élévation de la température de la surface du substrat est localisée et ne dégrade donc que très localement la surface, ce processus n’ayant lieu qu’aux interfaces avec les nanoparticules et donc au voisinage immédiat desdites nanoparticules. It should be remembered that the rise in the temperature of the surface of the substrate is localized and therefore only very locally degrades the surface, this process only taking place at the interfaces with the nanoparticles and therefore in the immediate vicinity of said nanoparticles.
Le processus par lequel le carbone s’insère dans les nanoparticules, i.e. diffusion ou solubilisation, dépendra du matériau dont sont faites les nanoparticules et de la capacité du carbone à y diffuser ou à se solubiliser. Ce qui importe dans la présente invention est de graphitiser les nanoparticules, c’est-à-dire au moins former du graphène à la périphérie des nanoparticules de sorte à obtenir un matériau composite comprenant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait du matériau métallique ou semi-conducteur et la coquille est faite de graphène venant du carbone de la surface du substrat. On forme ainsi une coquille présentant entre quatre et cinq couches atomiques de graphène. The process by which the carbon is inserted into the nanoparticles, i.e. diffusion or solubilization, will depend on the material of which the nanoparticles are made and on the capacity of the carbon to diffuse or to solubilize therein. What is important in the present invention is to graphitize the nanoparticles, that is to say at least to form graphene at the periphery of the nanoparticles so as to obtain a composite material comprising nanoparticles of the core-shell type of which the core is made. of metallic or semiconductor material and the shell is made of graphene coming from the carbon of the surface of the substrate. A shell is thus formed having between four and five atomic layers of graphene.
Le graphène est au moins formé à la périphérie des nanoparticules. Les nanoparticules peuvent être faites d’un matériau pour lequel un alliage se forme avec le carbone provenant du substrat de sorte qu’à la fois du graphène soit formé à la périphérie des nanoparticules et que le cœur desdites nanoparticules soit fait d’un alliage comprenant du carbone. C’est par exemple le cas lorsque l’encre comporte comme nanoparticules à graphitiser des nanoparticules de silicium. Le procédé d’élaboration de la présente invention permet d’obtenir un matériau composite comportant des nanoparticules cœur-coquille dont le cœur est fait d’un alliage Si-C et la coquille est faite en graphène. Le matériau dont est fait le cœur peut donc ne pas être totalement pur. Graphene is at least formed at the periphery of the nanoparticles. The nanoparticles can be made of a material for which an alloy is formed with the carbon coming from the substrate so that both graphene is formed at the periphery of the nanoparticles and the core of said nanoparticles is made of an alloy comprising carbon. This is the case, for example, when the ink contains as nanoparticles to graphitize silicon nanoparticles. The production process of the present invention makes it possible to obtain a composite material comprising core-shell nanoparticles whose core is made of an Si-C alloy and the shell is made of graphene. The material from which the heart is made may therefore not be completely pure.
Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, lors de l’étape c), la lumière pulsée est générée au moyen d’une source d’excitation émettant un rayonnement électromagnétique polychromatique large-bande. De préférence, la source d’excitation émet à des longueurs d’onde comprises entre 180 et 1200 nm. Une source convenant à la mise en œuvre de l’étape c) est donc par exemple une lampe à décharge comprenant du Xénon, appelée lampe Xénon dans la suite. De préférence également, on peut avoir recours à deux, voire plusieurs lampes Xénon. Ce type de source présente l’avantage d’éclairer une très grande surface, ce qui permet subséquemment d’élaborer une plus grande quantité du matériau composite, de surcroît en très peu de temps comme cela a été vu précédemment. According to a preferred embodiment of the present invention, during step c), the pulsed light is generated by means of an excitation source emitting wide-band polychromatic electromagnetic radiation. Preferably, the excitation source emits at wavelengths between 180 and 1200 nm. A source suitable for the implementation of step c) is therefore for example a discharge lamp comprising xenon, referred to as a xenon lamp in the following. Also preferably, two, or even several xenon lamps can be used. This type of source has the advantage of illuminating a very large area, which subsequently makes it possible to produce a larger quantity of the composite material, moreover in a very short time as has been seen previously.
En variante, la source de lumière pulsée peut également être une source laser. Cette solution est moins intéressante que la précédente dans la mesure où le laser ne peut balayer qu’une surface limitée. L’utilisation du laser requiert en effet un balayage du substrat ligne par ligne. Alternatively, the pulsed light source can also be a laser source. This solution is less attractive than the previous one since the laser can only scan a limited area. The use of the laser requires a scanning of the substrate line by line.
À ce stade, on peut sans doute préciser que les dimensions des nanoparticules peuvent dépasser le micron. Dans cette configuration, la source de lumière pulsée pourra préférentiellement émettre à des longueurs d’onde situées dans le domaine infrarouge. En effet, les photons de la lumière pulsée ont besoin de moins d’énergie pour être absorbés par des nanoparticules dont la taille est relativement importante. Toutefois, lorsque les particules présentent des dimensions nanométriques, l’effet plasmons facilite échauffement desdites nanoparticules. At this stage, we can undoubtedly specify that the dimensions of the nanoparticles can exceed one micron. In this configuration, the pulsed light source may preferentially emit at wavelengths located in the infrared range. This is because pulsed light photons need less energy to be absorbed by relatively large nanoparticles. However, when the particles have nanometric dimensions, the plasmon effect facilitates heating of said nanoparticles.
Les paramètres qui permettent de contrôler les caractéristiques de la lumière pulsée sont la fréquence d’illumination, la tension d’alimentation (qui a un impact direct sur l’amplitude de puise) et le nombre de puises appliqués (ou, ce qui revient au même, une durée d’application des puises, i.e. la durée totale de recuit). Tous ces paramètres contribuent finalement à la quantité d’énergie déposée. Le niveau d’énergie à déposer dépendra, à chaque fois, de la nature des nanoparticules, mais aussi de celle de la surface du substrat. C’est ce niveau d’énergie qui déterminera la température atteinte. The parameters which control the characteristics of the pulsed light are the illumination frequency, the supply voltage (which has a direct impact on the pulse amplitude) and the number of pulses applied (or, which amounts to even a duration of application of the pulses, ie the total duration of annealing). All of these parameters ultimately contribute to the amount of energy deposited. The energy level to deposit will depend, each time, on the nature of the nanoparticles, but also on that of the surface of the substrate. It is this level of energy that will determine the temperature reached.
Cependant, pour une même quantité d’énergie finalement déposée, il est possible de prévoir différentes valeurs pour ces paramètres, en fonction de ce qui est recherché. However, for the same amount of energy finally deposited, it is possible to provide different values for these parameters, depending on what is required.
L’augmentation de la fréquence d’illumination permet de réduire le temps de recuit, ce qui contribue à la limitation du refroidissement de l’échantillon entre chaque puise et conduit à une accumulation de chaleur plus importante. Cela étant dit, la détermination de la(es) fréquence(s) d’illumination optimales résulte d’un compromis entre deux phénomènes. D’une part, une fréquence d’illumination trop faible ne permettra pas d’augmenter la température des nanoparticules, et donc d’augmenter la température de la surface du substrat. Il sera donc impossible de former la coquille en graphène des nanoparticules et donc d’élaborer le matériau composite. D’autre part, une fréquence d’illumination trop élevée risque de nuire au substrat. Increasing the illumination frequency reduces annealing time, which helps limit sample cooling between each pulse and leads to more heat build-up. That being said, determining the optimum illumination frequency (s) results from a compromise between two phenomena. On the one hand, an illumination frequency that is too low will not increase the temperature of the nanoparticles, and therefore increase the temperature of the surface of the substrate. It will therefore be impossible to form the graphene shell of the nanoparticles and therefore to produce the composite material. On the other hand, too high an illumination frequency can damage the substrate.
Ainsi, la fréquence d’illumination de la lumière pulsée pourra être avantageusement comprise entre 0,1 et 100 kHz, de préférence à environ 10 kHz. Ces fréquences d’illumination permettent de surmonter les inconvénients précités et permettent d’élever la température des nanoparticules suffisamment pour permettre la dégradation des molécules du substrat situées à l’interface avec les nanoparticules et la diffusion ou la solubilisation des atomes de carbone venant de la surface du substrat dans les nanoparticules. En outre, cela permet d’atteindre les valeurs minimales de résistance électrique avec moins de puises appliqués, ce qui permet de diminuer la durée totale de recuit, et aussi d’allonger la durée de vie des lampes. Thus, the illumination frequency of the pulsed light may advantageously be between 0.1 and 100 kHz, preferably around 10 kHz. These illumination frequencies make it possible to overcome the aforementioned drawbacks and make it possible to raise the temperature of the nanoparticles sufficiently to allow the degradation of the molecules of the substrate located at the interface with the nanoparticles and the diffusion or the solubilization of the carbon atoms coming from the surface of the substrate in the nanoparticles. In addition, this allows minimum electrical resistance values to be achieved with less pulses applied, thereby reducing the total annealing time, and also extending the life of the lamps.
L’augmentation de la tension d’alimentation de la source d’excitation permet d’augmenter l’énergie déposée, et donc l’énergie électromagnétique absorbée par les nanoparticules, sans affecter la durée totale du recuit. Autrement dit, à durée d’illumination constante, l’augmentation de la tension d’alimentation de la source permet aux nanoparticules de l’encre d’atteindre des températures plus élevées. En effet, la tension d’alimentation permet de contrôler l’amplitude des puises. Increasing the supply voltage to the excitation source increases the energy deposited, and therefore the electromagnetic energy absorbed by the nanoparticles, without affecting the total annealing time. In other words, at constant illumination duration, increasing the supply voltage to the source allows the nanoparticles in the ink to reach higher temperatures. In fact, the supply voltage makes it possible to control the amplitude of the taps.
Par exemple, on pourra prévoir une tension d’alimentation de la source d’excitation entre 200 et 900 V, de préférence à environ 360 V pour un appareil PulseForge 3200, Novacentrix. Le nombre de puises pourra alors être compris entre 6 et 20. La durée d’un puise pourra être comprise entre 50 microsecondes et 2 millisecondes, de préférence être de 80 microsecondes. For example, it is possible to provide a supply voltage for the excitation source between 200 and 900 V, preferably around 360 V for a PulseForge 3200, Novacentrix device. The number of pulses may then be between 6 and 20. The duration of one pulse may be between 50 microseconds and 2 milliseconds, preferably be 80 microseconds.
Sont décrits en relation avec les premier, deuxième et troisième exemples de réalisation qui suivent des mises en œuvre pratiques de la présente invention dans lesquelles la source de carbone est comprise dans le substrat. Practical implementations of the present invention in which the carbon source is included in the substrate are described in relation to the first, second and third embodiments which follow.
Premier exemple de réalisation pratique de la présente invention : élaboration d’un matériau composite comprenant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait d’étain et la coquille est faite en graphène (graphène@Sn- NPs) à partir d’un précurseur fait de nanoparticules d’étain imprimées sur de l’UPILEX® First practical embodiment of the present invention: production of a composite material comprising nanoparticles of the core-shell type whose core is made of tin and the shell is made of graphene (graphene @ Sn-NPs) from a precursor made from tin nanoparticles printed on UPILEX®
La figure 1 illustre de manière schématique et synthétique le procédé d’élaboration précité et décrit de manière détaillé dans ce qui suit. Figure 1 illustrates schematically and synthetically the aforementioned production process and described in detail in the following.
Synthèse de l’encre comportant les nanoparticules d’étain Synthesis of the ink comprising the tin nanoparticles
La première étape consiste à synthétiser des nanoparticules de Sn très peu oxydées en surface par voie polyol. La synthèse se fait par réduction d’un sel d’étain dans un milieu polyol sous atmosphère contrôlée et à température ambiante. Le 2- éthylhéxanoate d’étain (Sn[CH3(CH2)3CH(C2H5)C02]2 - 92,5 - 100% Sigma-Aldrich) et le borohydrure de sodium (NaBhU 99% Sigma-Aldrich) sont utilisés dans ce cas comme précurseur d’étain et agent de réduction, respectivement. Le solvant utilisé est le diéthylène glycol (DEG - 99% Sigma-Aldrich) qui est systématiquement séché par tamis moléculaire 3A pendant trois nuits avant chaque synthèse pour rendre le solvant anhydre. The first step consists in synthesizing Sn nanoparticles very little oxidized at the surface by the polyol route. The synthesis is carried out by reduction of a tin salt in a polyol medium under a controlled atmosphere and at room temperature. Tin 2-ethylhexanoate (Sn [CH3 (CH2) 3CH (C2H5) C02] 2 - 92.5 - 100% Sigma-Aldrich) and sodium borohydride (NaBhU 99% Sigma-Aldrich) are used in this case. as a tin precursor and a reducing agent, respectively. The solvent used is diethylene glycol (DEG - 99% Sigma-Aldrich) which is systematically dried by 3A molecular sieve for three nights before each synthesis to make the solvent anhydrous.
Ensuite, le polyvinyle pyrrolidone est utilisé comme agent d’encapsulation pour empêcher l’agglomération des nanoparticules d’étain pendant leur mise en solution et éviter leurs oxydations excessives. Dans une boite à gant sous azote, 1 g de PVP (Mw = 1 ,3 Millions) et 2 g de NaBhU sont dissous dans 100 mL de DEG séché. Le mélange est ensuite agité dans un ballon de 500 mL dont l’intérieur a été nettoyé avec une solution d’eau régale puis avec l’éthanol pour être ensuite séché dans le four à 80°C. Le mélange est maintenu sous agitation pendant 3h pour obtenir une solution transparente et homogène. Ensuite, 2 ml_ de 2-éthylhéxanoate d’étain sont injectés dans la solution avec une vitesse d’injection de 4,5 mL/min. On obtient ainsi une solution avec une couleur noire qui apparaît immédiatement après l'injection du sel d'étain indiquant ainsi la formation des nanoparticules d’étain. La solution finale obtenue est agitée en continu pendant 60 minutes pour donner suffisamment de temps pour achever la réaction. Pour la récupération des nanoparticules de Sn dans la solution, une étape de centrifugation est nécessaire. Cette étape va permettre de séparer les nanoparticules du DEG. Ainsi, la centrifugation est effectuée à l’acétone puis à l’éthanol plusieurs fois pour récupérer le maximum de nanoparticules de la solution (Thermo Scientific Heraeus Primo Centrifuge). Au cours de cette étape, les manipulations de vidage du surnageant récupéré de la centrifugation et celles du lavage avec l’acétone ou l’éthanol sont effectuées dans la boite à gant afin d’éviter tout contact prolongé des nanoparticules synthétisées avec l’air et minimiser par conséquent leur oxydation. Then, the polyvinyl pyrrolidone is used as an encapsulating agent to prevent the agglomeration of the tin nanoparticles during their dissolution and to avoid their excessive oxidation. In a glove box under nitrogen, 1 g of PVP (Mw = 1.3 million) and 2 g of NaBhU are dissolved in 100 mL of dried DEG. The mixture is then stirred in a 500 ml round-bottomed flask, the interior of which has been cleaned with a solution of aqua regia and then with ethanol in order to then be dried in the oven at 80 ° C. The mixture is kept under stirring for 3 hours to obtain a transparent and homogeneous solution. Then, 2 ml of tin 2-ethylhexanoate is injected into the solution with an injection rate of 4.5 ml / min. A solution is thus obtained with a black color which appears immediately after the injection of the tin salt, thus indicating the formation of the tin nanoparticles. The final solution obtained is stirred continuously for 60 minutes to give sufficient time to complete the reaction. For the recovery of the Sn nanoparticles in the solution, a centrifugation step is necessary. This step will make it possible to separate the nanoparticles from the DEG. Thus, the centrifugation is carried out with acetone and then with ethanol several times to recover the maximum number of nanoparticles from the solution (Thermo Scientific Heraeus Primo Centrifuge). During this step, the operations for emptying the supernatant recovered from centrifugation and those for washing with acetone or ethanol are carried out in the glove box in order to avoid any prolonged contact of the synthesized nanoparticles with air and therefore minimize their oxidation.
Des observations par microscopie électronique en transmission montrent que les nanoparticules d’étain obtenues sont sphériques, de taille moyenne de 10,4 ± 3 nm. Des caractérisations par FTIR et par DRX montrent que les nanoparticules de Sn sont légèrement oxydées en surface mais ne présentent pas des états d’oxydations en volume. Observations by transmission electron microscopy show that the obtained tin nanoparticles are spherical, with an average size of 10.4 ± 3 nm. Characterizations by FTIR and by DRX show that the Sn nanoparticles are slightly oxidized on the surface but do not exhibit oxidation states by volume.
Ces nanoparticules sont ensuite dispersées dans un mélange de solvant pour formuler une nouvelle encre à base d’étain compatible avec l’impression jet d’encre. C’est ainsi que 10% en masse d’étain ont été dispersés dans 60% en masse d’éthylène glycol (EG) et 30% en masse d’éthanol. Le mélange est agité sous ultrasons pour assurer une bonne suspension dans les solvants. Une étape de filtration (Minisart, taille des pores 5 pm) de l’encre avant qu’elle soit transférée dans la cartouche d’impression permet d’éliminer les agrégats qui ne sont pas solubilisés par ultrasons. These nanoparticles are then dispersed in a mixture of solvents to formulate a new tin-based ink compatible with inkjet printing. Thus, 10% by mass of tin was dispersed in 60% by mass of ethylene glycol (EG) and 30% by mass of ethanol. The mixture is stirred under ultrasound to ensure a good suspension in the solvents. A filtration step (Minisart, pore size 5 µm) of the ink before it is transferred to the print cartridge eliminates the aggregates that are not solubilized by ultrasound.
La tension superficielle de l’encre Sn de 33 mN/m est suffisamment inférieure à l’énergie de surface du support plastique utilisé (Upilex-50S®) mesurée à 47 mN/m, permettant ainsi l’étalement de l’encre sur le substrat. The surface tension of the Sn ink of 33 mN / m is sufficiently lower than the surface energy of the plastic support used (Upilex-50S®) measured at 47 mN / m, thus allowing the ink to be spread over the substrate.
Impression de l’encre comportant les nanoparticules d’étain Printing the ink with the tin nanoparticles
Pour mettre en oeuvre l’impression de l’encre sur le substrat, la forme d’onde « standard » donnée par l’imprimante (DMP-2800, Dimatix) a été utilisée. Le substrat utilisé est l’Upilex®. Ensuite, la tension d’éjection de l’encre comportant les nanoparticules d’étain a été ajustée entre 15 V et 19 V de façon à générer des gouttes sphériques, de trajectoires rectilignes, qui se déplacent à la même vitesse et qui ne se disloquent pas au cours du trajet buse-substrat. To implement the printing of the ink on the substrate, the “standard” waveform given by the printer (DMP-2800, Dimatix) was used. The substrate used is Upilex®. Then, the ejection voltage of the ink comprising the tin nanoparticles was adjusted between 15 V and 19 V so as to generate spherical drops, with rectilinear trajectories, which move at the same speed and which do not break up. not during the nozzle-substrate path.
Les conditions d’impression de l’encre comprenant les nanoparticules d’étain sur l’Upilex® sont résumées dans le tableau suivant : The printing conditions of the ink comprising the tin nanoparticles on the Upilex® are summarized in the following table:
[Tableau 1]
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[Table 1]
Figure imgf000029_0001
Les films, i.e. couches minces, d’étain sont ensuite imprimés sur l’Upilex®. Optionnellement, on peut prévoir une étape de séchage, mais ce n’est pas obligatoire, le séchage pouvant avoir lieu lors de l’étape c) de recuit photonique. The films, i.e. thin layers, of tin are then printed on the Upilex®. Optionally, a drying step can be provided, but this is not mandatory, the drying can take place during step c) of photonic annealing.
À ce propos, bien que le dépôt de l’encre soit effectué par impression à jet d’encre dans cet exemple de réalisation, il peut également être effectué par impression par laser, enduction centrifuge, enduction par trempage, dépôt à la goutte, la méthode de dépôt de Langmuir-Blodgett ou encore coulage en bande. Incidentally, although the ink deposition is carried out by inkjet printing in this exemplary embodiment, it can also be carried out by laser printing, centrifugal coating, dip coating, drop coating, spray coating, inkjet printing. Langmuir-Blodgett deposition method or band casting.
Recuit photonigue Photonic annealing
Le système (PulseForge 3200, Novacentrix) intègre deux lampes Xénon qui produisent une émission de photons d’une manière pulsée sur un large spectre de longueurs d'onde allant de 180 nm à 1200 nm. The system (PulseForge 3200, Novacentrix) integrates two Xenon lamps which produce photon emission in a pulsed manner over a wide spectrum of wavelengths ranging from 180 nm to 1200 nm.
La fréquence d’illumination, la tension d’alimentation, le nombre de puise appliqué et la durée des puises, sont optimisés afin de conserver l’intégralité du support et la forme du motif imprimé. Sur la figure 3 est illustré le spectre d’émission (en noir) d’une telle source d’excitation pour une fréquence d’illumination de 10 kHz, une tension d’alimentation de 360 V. Cette tension correspond à l’amplitude de la tension électrique appliquée aux bornes de la lampe. Elle est la même pour tous les puises. En gris est illustrée l’intensité de lumière relative absorbée par un film d’étain lorsqu’il est éclairé au moyen de ladite source. L’intensité de la lumière absorbée est généralement inférieure à la lumière émise, en particulier dans le domaine du visible. Cela étant dit, l’étain est bien apte à absorber la lumière, ce qui fournit une indication sur sa capacité à s’échauffer lorsqu’il est exposé à une lumière pulsée. The illumination frequency, the supply voltage, the number of pulses applied and the duration of the pulses are optimized in order to preserve the entire support and the shape of the printed pattern. In FIG. 3 is illustrated the emission spectrum (in black) of such an excitation source for an illumination frequency of 10 kHz, a supply voltage of 360 V. This voltage corresponds to the amplitude of the electric voltage applied to the terminals of the lamp. It is the same for all the draws. In gray is illustrated the relative intensity of light absorbed by a tin film when it is illuminated by means of said source. The intensity of the light absorbed is generally lower than the light emitted, in particular in the visible range. That being said, tin is well adept at absorbing light, which provides an indication of its ability to heat up when exposed to pulsed light.
Comme cela est illustré sur la figure 4, la densité surfacique de puissance émise atteint 6000 W/m2 lorsqu’un train de 6 puises est appliqué, en utilisant les paramètres opératoires précités. Concomitamment, la densité surfacique de puissance absorbée par la couche mince d’étain peut atteindre près de 4000 W/m2. À titre de comparaison, la densité de puissance reçue à la surface terrestre est de 1361 W/m2. La densité surfacique de puissance absorbée est donc très élevée. As illustrated in FIG. 4, the emitted power per unit area density reaches 6000 W / m 2 when a train of 6 pulses is applied, using the aforementioned operating parameters. Concomitantly, the surface density of power absorbed by the thin layer of tin can reach nearly 4000 W / m 2 . For comparison, the power density received at the earth's surface is 1361 W / m 2 . The surface density of the power absorbed is therefore very high.
Sur la figure 5 est illustrée l’absorbance calculée en pourcentage de la couche mince d’étain (spectre en gris et continu). Bien que l’intensité de la lumière émise (spectre en noir et en pointillés) dans l’ultraviolet soit relativement faible, on peut constater que l’absorbance de la couche mince d’étain est maximale dans l’ultraviolet et le visible, où l’intensité lumineuse émise est suffisamment importante pour être efficacement absorbée par la couche mince d’étain. In Figure 5 is shown the absorbance calculated as a percentage of the thin layer of tin (gray and continuous spectrum). Although the intensity of the light emitted (black and dotted spectrum) in the ultraviolet is relatively low, it can be seen that the absorbance of the thin tin film is maximum in the ultraviolet and the visible, where the emitted light intensity is high enough to be effectively absorbed by the thin layer of tin.
Comme cela est illustré sur la figure 6, l'absorption de la lumière par les nanoparticules d’étain initie échauffement de l'échantillon jusqu'à plusieurs centaines de degrés en très peu de temps, de l’ordre de la milliseconde. Ainsi, en 800 ps (soit 0,8 ms) la couche mince d’étain atteint une température de 1165°C. Les températures de recuit subies par les échantillons d’étain sont déterminées à partir d’un modèle théorique basé sur la résolution de l’équation de la chaleur et le calcul de la densité de puissance absorbée.
Figure imgf000030_0001
As illustrated in Figure 6, the absorption of light by the tin nanoparticles initiates heating of the sample up to several hundred degrees in a very short time, of the order of a millisecond. Thus, in 800 ps (or 0.8 ms) the thin layer of tin reaches a temperature of 1165 ° C. The annealing temperatures undergone by the tin samples are determined from a theoretical model based on the resolution of the heat equation and the calculation of the absorbed power density.
Figure imgf000030_0001
Où Qa étant la densité de puissance absorbée par le film Where Q a being the power density absorbed by the film
P et I sont respectivement la puissance et l’intensité de la lumière émise, E(x) est l’énergie émise (mesurée par un bolomètre), et Cp et k sont la capacité calorifique et la conductivité thermique. P and I are respectively the power and the intensity of the emitted light, E (x) is the energy emitted (measured by a bolometer), and Cp and k are the heat capacity and thermal conductivity.
L’application de deux cycles de 6 puises chacun, avec une fréquence de 4 Hz entre les deux cycles consécutifs. Dans chaque cycle comprenant les 6 puises, une tension d’alimentation de 360 V et une fréquence d’illumination de 10 kHz permet d’obtenir un échantillon bien défini, ayant une résistance électrique carrée de l’ordre de 170 W/sq, pour une température de 1343°C. Applying two cycles of 6 pulses each, with a frequency of 4 Hz between the two consecutive cycles. In each cycle comprising the 6 pulses, a supply voltage of 360 V and an illumination frequency of 10 kHz makes it possible to obtain a well-defined sample, having a square electrical resistance of the order of 170 W / sq, for a temperature of 1343 ° C.
Une diminution significative de la résistance électrique carrée du motif d’étain est observée à la figure 7 lorsque l’énergie déposée par la lumière pulsée augmente et donc que la température de la couche mince augmente concomitamment. Il est à noter que chaque point illustré sur la figure 7 correspond à un échantillon différent, chaque échantillon ayant subi un unique recuit photonique. A significant decrease in the square electrical resistance of the tin pattern is observed in Figure 7 as the energy deposited by the pulsed light increases and therefore the temperature of the thin film increases concomitantly. It should be noted that each point illustrated in FIG. 7 corresponds to a different sample, each sample having undergone a single photonic annealing.
Cette diminution de résistance électrique est due à la graphitisation par les atomes de carbones provenant de l’Upilex®, ce qui a été confirmé à l’aide des caractérisations physico-chimique par Raman (figure 8) et par TEM-HR (figures 9 et 10). This decrease in electrical resistance is due to graphitization by carbon atoms from Upilex®, which was confirmed using physicochemical characterizations by Raman (figure 8) and by TEM-HR (figures 9 and 10).
Sur la figure 8, on observe des pics à 1350 cm-1, 1580 cm-1, 2660 cm-1, caractéristiques des matériaux carbonés (Malard étal., Phys Rep, 2009). Le pic à 1350 cnr1 correspond à une bande D associée au graphène désordonné tandis que le pic à 1580 cnr1 correspond à une bande G associée à la symétrie E2g du carbone sp2. In Figure 8, peaks are observed at 1350 cm -1 , 1580 cm -1 , 2660 cm -1 , characteristic of carbonaceous materials (Malard et al., Phys Rep, 2009). The peak at 1350 cnr 1 corresponds to a D band associated with disordered graphene while the peak at 1580 cnr 1 corresponds to a G band associated with the E2g symmetry of the sp 2 carbon.
L’analyse des données obtenues par caractérisation Raman, notamment de évolution du rapport d’intensité ID/IG (ID correspondant au pic à 1350 cm 1 et IG correspondant au pic à 1580 cm 1) en fonction de la résistance carrée, indique qu’en ayant recours au procédé selon l’invention, la graphitisation commence vers 1300°C en raison de la présence d’un catalyseur nano Sn très légèrement oxydé en surface. Analysis of the data obtained by Raman characterization, in particular of the evolution of the ID / IG intensity ratio (ID corresponding to the peak at 1350 cm 1 and IG corresponding to the peak at 1580 cm 1 ) as a function of the square resistance, indicates that by having recourse to the process according to the invention, the graphitization begins at around 1300 ° C. due to the presence of a very slightly oxidized nano Sn catalyst at the surface.
La figure 9 permet de visualiser le graphène recouvrant lesdites nanoparticules après le recuit photonique. FIG. 9 makes it possible to visualize the graphene covering said nanoparticles after the photonic annealing.
Applications aux batteries Battery applications
La fonctionnalité du matériau composite comprenant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait d’étain et la coquille est faite en graphène, tel que précédemment décrit, a été confirmée en utilisant ladite couche comme anode d’une batterie lithium souple. The functionality of the composite material comprising core-shell nanoparticles whose core is made of tin and the shell is made of graphene, such as previously described, was confirmed using said layer as the anode of a flexible lithium battery.
Des tests électrochimiques illustrés à la figure 10 montre que la capacité initiale de décharge est de l’ordre de 2200 mAh.g 1, ce qui est comparable à celle trouvée dans la littérature pour les composites d’étain/graphène. Electrochemical tests illustrated in FIG. 10 show that the initial discharge capacity is of the order of 2200 mAh.g 1 , which is comparable to that found in the literature for tin / graphene composites.
Deuxième exemple de réalisation pratique de la présente invention : élaboration d’un matériau composite graphène@Sn-NPs à partir d’un précurseur fait de nanoparticules de carbone imprimées sur un substrat nanoparticules de carbone/verre Second practical embodiment of the present invention: development of a graphene @ Sn-NPs composite material from a precursor made of carbon nanoparticles printed on a carbon nanoparticle / glass substrate
Un mode opératoire associé à cet exemple de réalisation est décrit dans ce qui suit. An operating mode associated with this exemplary embodiment is described in the following.
1 . Imprimer par jet d’encre les nanoparticules de carbone sur le substrat en verre, par exemple une lame de microscope 1. Inkjet print the carbon nanoparticles on the glass substrate, for example a microscope slide
2. Laisser sécher à 40°C sur le plateau de l’imprimante jet d’encre 2. Leave to dry at 40 ° C on the inkjet printer bed
3. Imprimer par jet d’encre l'encre à base de nanoparticules de Sn selon l’étape b) 3. Inkjet print the ink based on Sn nanoparticles according to step b)
4. Laisser sécher sur le plateau de l’imprimante jet d’encre à 40 °C 4. Leave to dry on the inkjet printer bed at 40 ° C
5. Appliquer le recuit photonique selon l’étape c) dans les mêmes conditions que celles utilisées pour graphitiser l’Upilex® en utilisant seulement l’encre à base de Sn 5. Apply the photonic annealing according to step c) under the same conditions as those used to graphitize the Upilex® using only the Sn-based ink
Les nanoparticules de carbone sont fournies par Méthode Electronics, USA. Elles sont apportées sous forme d’une encre qui est déposée et subit une étape de séchage préalablement à l’étape b). Ces étapes préalables correspondent aux étapes 1 . et 2. du mode opératoire qui précède. C’est sur la surface du substrat ainsi obtenue qu’est mise en oeuvre l’étape b) du procédé. The carbon nanoparticles are supplied by Method Electronics, USA. They are provided in the form of an ink which is deposited and undergoes a drying step prior to step b). These preliminary steps correspond to steps 1. and 2. the above procedure. It is on the surface of the substrate thus obtained that step b) of the process is carried out.
Le recuit photonique est mis en oeuvre au moyen du même système tel que précédemment décrit (PulseForge 3200, Novacentrix). Photonic annealing is carried out using the same system as previously described (PulseForge 3200, Novacentrix).
Bien que le dépôt de l’encre soit effectué par impression à jet d’encre dans cet exemple de réalisation, il peut également être effectué par impression par laser, enduction centrifuge, enduction par trempage, dépôt à la goutte, la méthode de dépôt de Langmuir-Blodgett ou encore coulage en bande. Although the deposition of the ink is carried out by inkjet printing in this exemplary embodiment, it can also be carried out by laser printing, centrifugal coating, dip coating, drop deposition, the Langmuir-Blodgett deposition method or band casting.
Troisième exemple de réalisation pratique de la présente invention : élaboration d’un matériau composite graphène@Sn-NPs à partir d’un précurseur fait de nanoparticules d’étain imprimées sur une surface à base de fructose Third practical embodiment of the present invention: production of a graphene @ Sn-NPs composite material from a precursor made of tin nanoparticles printed on a fructose-based surface
Un mode opératoire associé à cet exemple de réalisation est décrit dans ce qui suit. An operating mode associated with this exemplary embodiment is described in the following.
1 . Dissoudre 5% wt. de sucre (Fructose) dans de l'eau distillée 1. Dissolve 5% wt. sugar (Fructose) in distilled water
2. Déposer une goutte (100 mI_) par dépôt à la goutte sur un substrat de verre, par exemple une lame de microscope, maintenue à 40°C sur une plaque chauffante 2. Place a drop (100 mI_) by dropwise deposition on a glass substrate, for example a microscope slide, maintained at 40 ° C on a hot plate.
3. Déposer une goutte de l'encre à base de nanoparticules de Sn (100 mI_) selon l’étape b) 3. Apply a drop of the ink based on Sn nanoparticles (100 mI_) according to step b)
4. Sécher le film obtenu à 100 °C sur plaque chauffante 4. Dry the film obtained at 100 ° C on a hot plate.
5. Appliquer le recuit photonique selon l’étape c) dans les conditions suivantes : durée d’un puise : 60 psec, fréquence d’illumination : 2 KHz, tension d’alimentation : 400 volts, nombre de puises : 15, énergie déposée : 6,7 J/cm2 5. Apply the photonic annealing according to step c) under the following conditions: duration of a pulse: 60 psec, illumination frequency: 2 KHz, supply voltage: 400 volts, number of pulses: 15, energy deposited : 6.7 J / cm 2
Le fructose dissout est déposé et subit une étape de séchage préalablement à l’étape b). Ces étapes préalables correspondent aux étapes 1. et 2. du mode opératoire qui précède. C’est sur la surface du substrat ainsi obtenue qu’est mise en oeuvre l’étape b) du procédé. The dissolved fructose is deposited and undergoes a drying step prior to step b). These preliminary steps correspond to steps 1 and 2 of the above operating mode. It is on the surface of the substrate thus obtained that step b) of the process is carried out.
Le recuit photonique est mis en oeuvre au moyen du même système tel que précédemment décrit (PulseForge 3200, Novacentrix). Photonic annealing is carried out using the same system as previously described (PulseForge 3200, Novacentrix).
Bien que le dépôt de l’encre soit effectué par dépôt à la goutte dans cet exemple de réalisation, il peut également être effectué par impression à jet d’encre, impression par laser dite LIFT, enduction centrifuge, enduction par trempage, la méthode de dépôt de Langmuir-Blodgett ou encore coulage en bande. En relation avec le quatrième exemple de réalisation, est décrite dans ce qui suit une mise en oeuvre pratique de la présente invention dans laquelle la source de carbone est comprise dans l’encre. Although the deposition of the ink is carried out by drop deposition in this exemplary embodiment, it can also be carried out by inkjet printing, so-called LIFT laser printing, centrifugal coating, dip coating, the method of Langmuir-Blodgett deposit or band casting. In relation to the fourth exemplary embodiment, the following describes a practical implementation of the present invention in which the carbon source is included in the ink.
Quatrième exemple de réalisation pratique de la présente invention : élaboration d’un matériau composite graphène@Sn-NPs à partir d’un précurseur fait d’une encre composite comprenant à la fois des nanoparticules d’étain et du fructose sur un substrat en verre Fourth practical embodiment of the present invention: production of a graphene @ Sn-NPs composite material from a precursor made of a composite ink comprising both tin nanoparticles and fructose on a glass substrate
Un mode opératoire associé à cet exemple de réalisation est décrit dans ce qui suit. An operating mode associated with this exemplary embodiment is described in the following.
1 . Disperser 10% wt. de Sn dans un mélange eau/Ethylène glycol/Tween20 ® avec un pourcentage volumique 38/60/2 1. Disperse 10% wt. of Sn in a water / ethylene glycol / Tween20 ® mixture with a volume percentage 38/60/2
2. Ajouter 5% wt. de fructose 2. Add 5% wt. fructose
3. Agiter pour bien dissoudre le sucre dans l'encre 3. Shake to dissolve the sugar in the ink.
4. Imprimer par jet d’encre l'encre sur le substrat en verre (lame de microscope) selon l’étape b) dans les mêmes conditions que celles utilisées pour imprimer l’encre Sn 4. Inkjet print the ink on the glass substrate (microscope slide) according to step b) under the same conditions as those used to print the Sn ink
5. Sécher à 40 °C sur le plateau de l’imprimante jet d’encre 5. Dry at 40 ° C on the inkjet printer bed
6. Appliquer le recuit photonique selon l’étape c) dans les conditions suivantes : durée d’un puise T : 60 psec, fréquence d’illumination : 2 KHz, tension d’alimentation : 400 volts, nombre de puises : 15, énergie déposée : 6,7 J/cm2 6. Apply the photonic annealing according to step c) under the following conditions: duration of a pulse T: 60 psec, illumination frequency: 2 KHz, supply voltage: 400 volts, number of pulses: 15, energy deposited: 6.7 J / cm 2
Dans ce cas, l’encre comporte à la fois les nanoparticules à graphitiser et la source de carbone. Les étapes de préparation de l’encre correspondent aux étapes 1 ., 2. et 3. du mode opératoire qui précède. Lors de l’étape 4. on dépose donc à la fois la source de carbone et les nanoparticules à graphitiser. In this case, the ink contains both the nanoparticles to be graphitized and the carbon source. The ink preparation steps correspond to steps 1., 2. and 3. of the above procedure. In step 4, therefore, both the carbon source and the nanoparticles to be graphitized are deposited.
Le recuit photonique est mis en oeuvre au moyen du même système tel que précédemment décrit (PulseForge 3200, Novacentrix). Photonic annealing is carried out using the same system as previously described (PulseForge 3200, Novacentrix).
Bien que le dépôt de l’encre soit effectué par impression à jet d’encre dans cet exemple de réalisation, il peut également être effectué par impression par laser, enduction centrifuge, enduction par trempage, dépôt à la goutte, la méthode de dépôt de Langmuir-Blodgett ou encore coulage en bande. Although the ink deposition is carried out by inkjet printing in this exemplary embodiment, it can also be carried out by laser printing, centrifugal coating, dip coating, drop coating, the deposition method. Langmuir-Blodgett or band casting.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d’élaboration d’un matériau composite comportant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait d’un matériau apte à absorber la lumière et la coquille est faite en graphène, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) fournir un substrat ainsi qu’une encre comportant des nanoparticules aptes à absorber de la lumière, lesdites nanoparticules étant encapsulées dans une matrice polymérique ; b) déposer l’encre sur une surface du substrat, ladite surface ou ladite encre comprenant une source de carbone choisie parmi : 1. Process for producing a composite material comprising nanoparticles of the core-shell type, the core of which is made of a material capable of absorbing light and the shell is made of graphene, the process comprising the following steps: a) providing a substrate as well as an ink comprising nanoparticles capable of absorbing light, said nanoparticles being encapsulated in a polymeric matrix; b) depositing the ink on a surface of the substrate, said surface or said ink comprising a carbon source chosen from:
• un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique, • a polymer comprising an amide function and an aromatic function,
• un hexose, • a hexose,
• des nanoparticules de carbone, • carbon nanoparticles,
• des monocouches auto-assemblées comprenant des cycles aromatiques, c) illuminer la surface du substrat recouverte d’encre avec une lumière pulsée pour porter les nanoparticules comprises dans l’encre à une température d’échauffement supérieure à une température de dissociation du carbone compris dans la source de carbone, le carbone ainsi dissocié étant alors apte à diffuser ou à se solubiliser dans les nanoparticules comprises dans l’encre pour former ledit matériau composite. • self-assembled monolayers comprising aromatic rings, c) illuminating the surface of the substrate covered with ink with pulsed light to bring the nanoparticles included in the ink to a heating temperature greater than a dissociation temperature of the carbon included in the carbon source, the carbon thus dissociated then being able to diffuse or to dissolve in the nanoparticles included in the ink to form said composite material.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le matériau apte à absorber la lumière est métallique ou semi-conducteur. 2. The method of claim 1, wherein the material capable of absorbing light is metallic or semiconductor.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le matériau apte à absorber la lumière est à base d’étain (Sn). 3. The method of claim 2, wherein the material capable of absorbing light is based on tin (Sn).
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique est un polyimide. 4. Method according to one of the preceding claims, wherein the polymer comprising an amide function and an aromatic function is a polyimide.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’hexose est du fructose ou du glucose. 5. A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the hexose is fructose or glucose.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les monocouches auto-assemblées sont faites à base d’hexadecane thiol (HDT), de biphenyl-4-thiol (BPT), de 1 , 1 '-biphenyH -4-thiol (BPTC), de tolanethioacetate (TTA), de tolane disulfide (TDS), de tolane methyl sulfide (TMS). 6. Method according to any one of claims 1 to 3, wherein the self-assembled monolayers are made based on hexadecane thiol (HDT), biphenyl-4-thiol (BPT), 1, 1 '-biphenyH -4-thiol (BPTC), tolanethioacetate (TTA), tolan disulfide (TDS), tolane methyl sulfide (TMS).
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les couches mono-assemblées ne comprennent que des cycles aromatiques. 7. A method according to any one of claims 1 to 5, wherein the mono-assembled layers comprise only aromatic rings.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape b), l’encre est déposée avec une technique choisie parmi l’impression, l’enduction centrifuge, l’enduction par trempage, le dépôt à la goutte, le dépôt de Langmuir-Blodgett ou encore le coulage en bande. 8. Method according to any one of the preceding claims, wherein, during step b), the ink is deposited with a technique chosen from printing, centrifugal coating, dip coating, deposition. by drop, the Langmuir-Blodgett deposit or band casting.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape b), l’encre est déposée par impression à jet d’encre. 9. A method according to any preceding claim, wherein in step b) the ink is deposited by inkjet printing.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel, lors de l’impression par jet d’encre, on ajuste une distance entre une buse d’éjection de l’imprimante et le substrat entre 600 pm et 1 ,5 mm. 10. The method of claim 9, wherein, during inkjet printing, a distance between an ejection nozzle of the printer and the substrate is adjusted between 600 µm and 1.5 mm.
11 . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape c), la lumière pulsée est générée au moyen d’une source d’excitation émettant un rayonnement électromagnétique polychromatique large-bande, ladite source d’excitation émettant à des longueurs d’onde comprises entre 180 et 1200 nm. 11. A method according to any one of the preceding claims, wherein in step c) the pulsed light is generated by means of an excitation source emitting wide-band polychromatic electromagnetic radiation, said excitation source emitting at wavelengths between 180 and 1200 nm.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel lors de l’étape c), la lumière pulsée est générée au moyen d’une source laser. 12. A method according to any one of claims 1 to 10, wherein in step c), the pulsed light is generated by means of a laser source.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape c) : 13. A method according to any one of the preceding claims, wherein, in step c):
- l’amplitude de la lumière pulsée est obtenue avec une tension d’alimentation de la source d’excitation comprise entre 200 et 900 V, de préférence à environ 360 V ; - the amplitude of the pulsed light is obtained with a supply voltage of the excitation source of between 200 and 900 V, preferably around 360 V;
- la fréquence d’illumination de la lumière pulsée est comprise entre 0,1 et 100 kHz, de préférence à environ 10 kHz ; - the frequency of illumination of the pulsed light is between 0.1 and 100 kHz, preferably around 10 kHz;
- le nombre de puises de la lumière pulsée est compris entre 6 et 20, - the number of pulsed light pulses is between 6 and 20,
- la durée d’un puise est comprise entre 50 psec et 2 ms, de préférence à environ 80 psec. - the duration of a pulse is between 50 psec and 2 ms, preferably about 80 psec.
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