Synthèse solvothermale de nanocristaux d'oxyde d'indium-étain pour application dans les vitrages électrochromes plasmoniques

Abstract

Depuis quelques décennies, les matériaux électrochromes sont étudiés par les scientifiques pour leurs propriétés optiques singulières. L’électrochromisme est basé sur la modulation réversible des propriétés optiques du matériau suite à l’application d’une différence de potentiel ou d’un courant électrique. Les matériaux électrochromes peuvent se retrouver dans de nombreuses applications telles que des rétroviseurs de voitures, des lunettes et visières ou encore des « fenêtres intelligentes ». Dans ce cas précis, les propriétés optiques de ces revêtements permettent le contrôle de la quantité d’énergie solaire entrante dans les bâtiments grâce à leurs propriétés d'absorption située dans deux régions d’intérêt dans le spectre solaire : le visible et les infrarouges proches. Par conséquent, ces vitrages électrochromes présentent des avantages environnementaux et économiques. Malgré ces avantages considérables, les matériaux électrochromes classiques présentent tout de même certaines lacunes, principalement en termes de sélectivité de l’absorption d’énergie solaire. En effet, ce type de vitrage ne permet pas la modulation de la région infrarouge proche mais uniquement de la région visible. Dans le cadre de cette étude, nous nous intéressons à la modulation de l’apport de chaleur généré par le rayonnement proche infrarouge ou NIR (de l’anglais near infrared) car celui-ci contribue au rayonnement solaire pour plus de 50%. La modulation de la chaleur (NIR) en complément de celle de la lumière (VIS) est donc cruciale afin d’adapter le vitrage aux variations climatiques et au confort visuel. Pour ce faire, nous visons une approche innovante faisant appel à des nanocristaux plasmoniques d’oxydes métalliques hautement dopés. Le matériau de synthèse envisagé est de l’oxyde d’indium dopé à l’étain. L’objectif principal de ce mémoire était de synthétiser des nanocristaux d’ITO par voie solvothermale afin de les utiliser comme matériaux constitutifs d’une couche mince inclue dans un dispositif électrochrome dans le but de bloquer les infrarouges proches provenant du rayonnement solaire. En premier lieu, nous avons synthétisé des nanocristaux d’ITO par procédé solvothermal en faisant varier le temps de réaction (24h ou 48h) ainsi que le pourcentage en mole de dopant (9% ou 14%). Ces deux paramètres peuvent influencer la morphologie des nanocristaux ainsi que la fréquence de plasmon de surface localisée et déplacer la région d’absorption de celui-ci. Il s’est avéré qu’une durée de synthèse de 24h était suffisante pour obtenir des particules d’ITO dans la phase cristalline désirée (système cubique) et de taille désirée (~10 nm). La variation de la quantité de dopant (Sn4+) permet de modifier la concentration en porteurs de charge, ce qui modifie in fine la région d’absorption. Les nanocristaux dopés à 14% en mole d’étain présentent un pic d’absorption vers 1800 nm alors que des nanocristaux présentant un dopage moindre (9%), ont une absorbance plasmonique vers 2500 nm. Un plus fort taux de dopage se révèle donc plus intéressant pour une filtration plus efficace du rayonnement proche infrarouge (plus intense à plus basses longueurs d’onde). Ensuite, ces nanocristaux ont été dispersés dans un solvant afin d’obtenir une suspension suffisamment stable pour réaliser des dépôts par spray ultrasonique. Pour réaliser cette suspension, nous avons testé différents dispersants : le polyéthylène imine branché (PEI), le Duramax-3005® (sel de polyacrylate d’ammonium) et la polyvinylpyrrolidone (PVP). Ces dispersants donnent lieu à un mode de stabilisation différent (électrostérique ou stérique). Différents solvants ont également été testés (eau, éthanol, isopropanol). Ces solvants se différencient par leur viscosité et leur pression de vapeur saturante. Parmi ces différents candidats, nous avons sélectionné la PVP comme dispersant, permettant un mode de stabilisation par effet purement stérique, et l’isopropanol comme solvant, présentant une viscosité et une pression de vapeur saturante relativement élevées. Les particules dispersées dans ce milieu ne semblent pas sédimenter et cette suspension se révèle stable pendant environ 30 minutes. Ensuite, nous avons réalisé les dépôts par spray ultrasonique à température ambiante. Pour ce faire, un ensemble de paramètres expérimentaux a progressivement été mis au point afin d’obtenir – avec succès – un film transparent dans le visible et d’une épaisseur comprise entre 100 et 200 nm. Suite à leur analyse par SEM, ces films ne présentent pas de fissures et se montrent uniformes et complètement couvrants. Cependant, des agrégats / éclats de quelques microns sont visibles en surface, ce qui n’est pas désiré pour éviter des phénomènes de diffusion lumineuse. Les meilleurs films ont finalement été caractérisés par mesure électrochimique couplée à un spectromètre UV-visible-NIR. Ces films démontrent une capacité de modulation électrochrome dans la gamme d’intérêt (1600-2200 nm), bien que dans une ampleur relativement faible (5%). Le traitement thermique appliqué aux films semble être dommageable pour leur conductivité électronique ainsi que pour leurs propriétés plasmoniques, bien qu’il soit requis pour tenter d’éliminer la PVP. Au final, il a pu être montré pour la première fois et de manière originale que des matériaux d’électrodes (de travail) pour dispositifs électrochromes peuvent être obtenus à l’aide de nanocristaux d’ITO synthétisés par voie solvothermale.