Synthèse de nanocristaux d'oxyde de zinc (zno) par voies de chimie douce et étude de l'effet de dopage cérium sur ses propriétés morphologiques, structurales et vibrationnelles

Abstract

Ce travail traite la synthèse par voie hydrothermale de nanostructures de ZnO pur et dopé cérium à partir de quatre sources d'ions Zn2+ (acétate, chlorure, nitrate et sulfate de zinc) et de deux bases caustiques (NaOH ou KOH). Les effets du dopage cérium, de la base caustique et de la nature du précurseur sur les propriétés structurales, morphologiques et vibrationnelles des produits élaborés ont été étudiés par la diffraction des rayons X (DRX), la microscopie électronique à balayage (MEB), l'infrarouge (FTIR) et la spectroscopie micro-Raman. Les résultats DRX ont montré une structure polycristalline hexagonale de type wurzite, de haute qualité cristalline pour l'ensemble des cristallites ZnO et ZnO:Ce. L'introduction des ions dopants Ce3+dans la matrice ZnO a engendré une détérioration de la qualité cristalline de ces cristallites. Les images MEB ont révélé l'obtention d'une variété de morphologies de nanostructures de ZnO comme des fleurs, des roses de sable etéoliennes ayant pour forme de base la nanotige. Les mesures EDAX ont confirmé la pureté de ZnO et ZnO:Ce par la présence uniquement des atomes Zn, O et Ce. Les mesures FTIR ont confirmé aussi la pureté et la formation du ZnO wurtzite par la présence d'une importante bande vibrationde la liaison Zn-O. La spectroscopie ?-Raman a confirmé aussi la structure hexagonale wurtzite du ZnO par la présence du pic correspondant au mode E2 (high). Le dopage cérium a décalé les pics Raman vers les basses fréquences et a engendré un élargissement du spectre vibrationnel, suite aux différents effets anharmoniques provenant du confinement quantique des phonons. Cette étude a montré que la nature des précurseurs des ions Zn2+ et OH- , ainsi que le type de l'élément dopant influent considérablement sur les propriétés structurales, morphologiques et spectroscopiques des nanostructures de ZnO élaborées par le procédé hydrothermal. Abstract This work deals with the hydrothermal synthesis of pure and cerium-doped ZnO nanostructures from four sources of Zn2+ ions (acetate, chloride, zinc nitrate and sulfate) and two caustic bases (NaOH or KOH). The effects of cerium doping, caustic base and the nature of the precursor on the structural, morphological and vibrational properties of the elaborated products were studied using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), infrared (FTIR) and micro-Raman spectroscopies. XRD results showed a hexagonal wurzite polycrystalline structure with high crystal quality for all ZnO and ZnO: Ce nanostructures. The introduction of Ce3+ dopant ions into ZnO matrix caused a deterioration in crystalline quality of the elaborated materials. SEM images revealed the obtention of a variety of morphologies of ZnO nanostructures such as flowers, sand roses and wind turbines having nanorod as basic shape. EDAX measurements confirmed the purity of ZnO and ZnO:Ce by the presence of only Zn, O and Ce atoms. FTIR measurements also confirmed the purity and formation of ZnO wurtzite by the presence of a strong vibration band of Zn-O bond. The ?-Raman spectroscopy also confirmed the hexagonal wurtzite structure of ZnO by the presence of the peak corresponding to the E2 (high) mode. The cerium doping shifted the Raman peaks towards low frequencies and generated a widening of the vibrational spectrum, following the various anharmonic effects resulting from the quantum confinement of the phonons. This study showed that the nature of the precursors of Zn2+ and OH- ions, as well as the type of the doping element significantly influence the structural, morphological and spectroscopic properties of ZnO nanostructures produced by the hydrothermal process.