GRAPHENE

Domaine technique de l’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.

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.

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.

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.

Arrière-plan technique

De nombreux procédés d’élaboration de matériaux composites ont été développés.

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.

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.

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.

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.

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.

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 10 ⁵ 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.

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.

Il existe donc un besoin d’améliorer les procédés d’élaboration existants.

Résumé de l’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 :

• 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,

• 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Selon différentes caractéristiques de l’invention qui pourront être prises ensemble ou séparément :

- le matériau apte à absorber la lumière est métallique ou semi-conducteur,

- Le matériau apte à absorber la lumière est à base d’étain (Sn) ;

- le polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique est un polyimide ;

- l’hexose est du fructose ou du 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) ;

- 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 ;

- lors de l’étape b), l’encre est déposée par impression à jet d’encre ;

- 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 ;

- 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

- 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.

Présentation des 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 :

- La figure 1 illustre les étapes du procédé selon l’invention,

- La figure 2 est une vue schématique en section d’une buse d’une imprimante à jet d’encre,

- 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,

- 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,

- 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,

- 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,

- 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),

- La figure 9 illustre une image de microscopie électronique en transmission (TEM) de nanoparticules d’étain déposées sur de l’LIpilex®,

- 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),

Description détaillée de l’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.

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 :

• un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique,

• un hexose,

• des nanoparticules de carbone,

• 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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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 :

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.

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.

Selon une mise en oeuvre particulière de l’invention, le substrat comprend un support sur lequel on applique ou fixe ledit polymère.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Dans ce qui suit sont décrites plus en détail les différentes étapes du procédé selon l’invention.

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.

Il est possible soit d’utiliser une encre disponible dans le commerce soit de fabriquer l’encre.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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®

La figure 1 illustre de manière schématique et synthétique le procédé d’élaboration précité et décrit de manière détaillé dans ce qui suit.

Synthèse de l’encre comportant les nanoparticules d’étain

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.

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.

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.

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.

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.

Impression de l’encre comportant les nanoparticules d’étain

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.

Les conditions d’impression de l’encre comprenant les nanoparticules d’étain sur l’Upilex® sont résumées dans le tableau suivant :

[Tableau 1]

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.

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.

Recuit photonigue

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.

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.

Comme cela est illustré sur la figure 4, la densité surfacique de puissance émise atteint 6000 W/m ² 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/m ² . À titre de comparaison, la densité de puissance reçue à la surface terrestre est de 1361 W/m ² . La densité surfacique de puissance absorbée est donc très élevée.

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.

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.

Où Q _a étant la densité de puissance absorbée par le 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.

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.

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.

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).

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 cnr ¹ correspond à une bande D associée au graphène désordonné tandis que le pic à 1580 cnr ¹ correspond à une bande G associée à la symétrie E2g du carbone sp ² .

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.

La figure 9 permet de visualiser le graphène recouvrant lesdites nanoparticules après le recuit photonique.

Applications aux batteries

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.

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.

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

Un mode opératoire associé à cet exemple de réalisation est décrit dans ce qui suit.

1 . Imprimer par jet d’encre les nanoparticules de carbone sur le substrat en verre, par exemple une lame de microscope

2. Laisser sécher à 40°C sur le plateau de l’imprimante jet d’encre

3. Imprimer par jet d’encre l'encre à base de nanoparticules de Sn selon l’étape b)

4. Laisser sécher sur le plateau de l’imprimante jet d’encre à 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

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.

Le recuit photonique est mis en oeuvre au moyen du même système tel que précédemment décrit (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.

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

Un mode opératoire associé à cet exemple de réalisation est décrit dans ce qui suit.

1 . Dissoudre 5% wt. de sucre (Fructose) dans de l'eau distillée

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

3. Déposer une goutte de l'encre à base de nanoparticules de Sn (100 mI_) selon l’étape b)

4. Sécher le film obtenu à 100 °C sur plaque chauffante

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/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.

Le recuit photonique est mis en oeuvre au moyen du même système tel que précédemment décrit (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.

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

Un mode opératoire associé à cet exemple de réalisation est décrit dans ce qui suit.

1 . Disperser 10% wt. de Sn dans un mélange eau/Ethylène glycol/Tween20 ® avec un pourcentage volumique 38/60/2

2. Ajouter 5% wt. de fructose

3. Agiter pour bien dissoudre le sucre dans l'encre

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

5. Sécher à 40 °C sur le plateau de l’imprimante jet d’encre

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/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.

Le recuit photonique est mis en oeuvre au moyen du même système tel que précédemment décrit (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.