Aujourd'hui, l'impact environnemental de chaque technologie fait l'objet de toutes les attentions. L'élimination des composés soufrés et surtout de H2S dans les gaz entre dans cet aspect écologique au sein de plusieurs processus industriels. L'oxyde de zinc est utilisé comme adsorbant régénérable pour la désulfuration. Le but de ce travail est la préparation de filtres monolithiques macroporeux et de nanopoudres de ZnO avec une forte capacité en soufre et facilement régénérable, ainsi que l'optimisation de leurs propriétés.Des matériaux composites ZnS/NaCl sont tout d'abord synthétisés par combustion auto-propagée à partir de mélanges de zinc, de soufre et de chlorure de sodium. NaCl est éliminé par lixiviation dans l'eau après la synthèse. Les nanopoudres de ZnS sont préparées par mécanosynthèse à partir de mélanges de zinc et de soufre. Les deux matériaux préparés ont des structures cristallines différentes, de type würtzite pour les filtres de ZnS et de type sphalerite pour les poudres. Cette différence est due aux deux voies de synthèse. Monolithes et poudres ZnS sont ensuite convertis en ZnO par traitement thermique sous air à 700 °C.Les transformations macro- et microstructurales des filtres et des poudres ont été étudiées au cours de cycles de sulfuration-oxydation par les méthodes de caractérisation telles que la diffraction des rayons X, la microscopie électronique à balayage et la porosimétrie au mercure. Les résultats montrent que les propriétés des matériaux restent très stables au cours des conversions successives. Enfin, les filtres et nanopoudres de ZnO ont été utilisés comme adsorbants au cours d'essais de désulfuration. La capacité massique en soufre des filtres est assez faible, 6,4 mg S/g ads. montrant que la porosité doit être améliorée. Quant aux nanopoudres, la capacité massique en soufre est très élevée, 272 mg S/g ads, prouvant que la surface spécifique est très importante pour ce type d'application. / Today, we have to take care of every technology's environmental effects. The removal of H2S and other sulfur compounds in hot gas enters this ecological aspect in several industrial processes. Zinc oxide is used here as a regenerable sorbent for gas desulfurization. The goal of this work is, the preparation of macroporous ZnO monolithic filters and nanopowders with high sulfur capacity and easily regenerable, and their optimization with the control of their properties. ZnS/NaCl composite materials are first obtained by Self-propagating High temperature Synthesis from mixtures of zinc, sulfur and sodium chloride powders. NaCl is then removed by lixiviation with water. ZnS nanopowders are prepared by mechanical alloying from mixtures of zinc and sulfur. The two materials have different crystalline structure, würtzite type for ZnS filters and sphalerite type for powders, because of the way of synthesis. Then, they are converted into ZnO by thermal treatment under air at 700 °C. Next, the macro- and microstructure transformations of both filter and powders during sulfidation-oxidation cycles are thus considered. Results of all characterizations like X-ray diffraction, scanning electron microscopy and Hg porosimetry show that materials properties are very stable against conversions. Afterwards, ZnO filters and nanopowders are used as adsorbent in desulfurization trials. The sulfur capacity of filters is not so high, 6,4 mg S/g ads and shows that porosity has to be improved. Regarding nanopowders, the sulfur capacity is very high, 272 mg S/g ads, proving that surface area is very important in this application.

Ce travail de thèse a pour objectif la création d’indice optique local et contrôlé dans une matrice vitreuse à travers la mise au point et le développement de procédés de synthèse de nanoparticules (NPs) de sulfure de zinc (ZnS) dans un verre d’oxydes. Nous avons commencé par l’élaboration par voie de fusion d’un verre d’oxydes de composition initiale très simple. Nous avons ensuite examiné la problématique de la synthèse et du contrôle de croissance des NPs de ZnS dans nos échantillons dans trois matrices différentes et par trois traitements : recuit thermique, insolation UV ou par un traitement simultané (recuit thermique + insolation UV). Les propriétés optiques des verres dopés NPs ZnS fabriqués ont été caractérisées par diverses techniques (absorption UV visible, photoluminescence, FTIR, Raman, XPS, mesure d’indice). Il ressort de ces caractérisations que nous arrivons à fabriquer des NPs dans les trois matrices dont la taille peut aller de 1.8 à 7 nm. La dispersion sur les distributions de taille dépend de la matrice, du traitement post-fusion et de sa durée ainsi que de la concentration initiale en dopant. Nous avons également été amené à synthétiser et à étudier des nanopoudres de ZnS. Le procédé de sélection de taille révèle qu’il est possible d’obtenir au moins trois distributions étroites de tailles bien distinctes. Des filtres optiques UV à bande étroite peuvent ainsi être réalisés pour une longueur choisie en contrôlant la taille des NPs ZnS. Des applications prospectives des NPs ZnS pour le nano marquage et la photo dégradation de polluants modèles présents dans l’eau ont été illustrées / Our efforts have been devoted to the development of simple approach to synthesize ZnS nanoparticules (NPs) by melting process in a glassy matrix with the aim to create a controlled optical index variation. In this thesis, we present the formation of ZnS NPs in the glassy matrix and study of their optical properties. The nanocomposite incorporating ZnS in the host medium was prepared using the melting process from a mixture of the raw materials. We have prepared various glass samples with ZnS NPs size ranging from 1.8 à 7 nm. These samples were treated (heat treatment ± UV insulation with 244 nm laser) and characterized by UV-Vis absorption, FTIR, photoluminescence spectroscopy, Raman measurements and XPS. The refractive index measurements of these nanostructured composite glasses have been carried out and show an important increase with ZnS concentrations and treatments. We also present the elaboration of small and monodisperse ZnS nanopowder with size ranging from 3 to 100 nm by a simple, low-cost and mass production chemical method. The NPs were characterised by X-ray powder diffraction (XRD), UV-vis absorption and photoluminescence spectroscopy. The photocatalytic activity of ZnS nanopowders was investigated by using different colorant water dispersed. ZnS NPs appear to be a good candidate for potential environmental applications such as water purification. We also present application of fluorescent ZnS nanoparticles as cellular biomarkers. Fluorescent microscopy images of osteoblastic MC3T3-E1 cells revealed that the ZnS nanoparticles were biocompatible and were penetrated cells and nucleus regardless of their size. Hence, the ZnS NPs can be good candidates for drug delivery and bio-imaging applications

Un-doped, Er3+ doped (TiO2:Er3+) as well as Er3+/Yb3+ co-doped (TiO2:Er3+/Yb3+) nanocrystals with different concentrations of RE3+ (Er3+, Yb3+) were successfully synthesized using the sol-gel method. The powder X-ray diffraction (XRD) spectra revealed that all undoped and doped samples remained in anatase after annealing at 400°C. The presence of RE3+ ions in the TiO2 host lattice was confirmed by conducting elemental mapping on the samples using Scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectrometer (EDX), which was in agreement with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results. Transmission electron microscope (TEM) images approximated particle sizes of the samples to be between 1.5 – 3.5 nm in diameter and this compares well with XRD analyses. Phonon quantification in TiO2 was achieved using Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. Optical bandgap from Ultraviolet/Visible/Near-Infrared was extrapolated from Kubelka-Munk relation and the narrowing of the bandgap for the doped samples as compared to the undoped sample was observed. The photoluminescence PL study of the samples revealed two emission peaks attributed to direct band-gap and defect-related emissions. A laser beam with 980 nm wavelength was used to irradiate the samples, and the displayed emission lines of the TiO2: Er3+ in the visible region of the electromagnetic spectrum confirmed up-conversion luminescence. Enhancement of up-conversion luminescence intensity due to Yb3+ co-doping was observed, indicating an efficient energy transfer process from the sensitizer Yb3+ to the activator Er3+. / Physics / M. Sc. (Physics)

La connaissance d’un système gaz/solide requiert l’analyse de l’adsorption, du premier stade jusqu’à saturation. C’est la motivation de l’analyse des surfaces sous vide. L’approche des surfaces divisées est souvent tronquée. Pratiquée à des pressions suffisamment élevées pour être compatible avec un temps de réaction raisonnable, elle ne permet pas l'analyse de la surface nue à la monocouche. L’objectif du présent travail a été d’établir une continuité d’observation par FTIR, de l’UHV à la pression ambiante, de poudres de MgO, ZnO et ZnxMg1-xO exposées à l’eau ou à l’hydrogène. Il a été montré que les fumées de ZnO se comparent à des cristaux présentant les faces (0001), (0001̅), (101̅0), (112̅0), avec un rapport non-polaire/polaire de 75/25. Par FTIR combinée à la photoémission et à la désorption thermique, trois étapes de l’hydroxylation des fumées de MgO ont été identifiées : défauts ponctuels (10-8 mbar), marches (10-6 mbar) puis terrasses (> 10-5 mbar), avec une restructuration qui prouve que l’eau change la structure de surface de MgO. La représentation commune de la surface de MgO par une suite de facettes (100) est mise en cause. Aux faibles teneurs en zinc, l’oxyde mixte ZnxMg1-xO est formé de cristallites cubiques de même structure que MgO. Le zinc en substitution tend à ségréger vers les sites de basse coordinence où il affecte les propriétés d’adsorption d’eau et d’hydrogène. Par ailleurs, le mélange ZnO-MgO obtenu par combustion d’alliage ZnMg offre une possibilité d’application grâce aux propriétés bactéricides de ZnO et de faible toxicité de MgO. L’ensemble des résultats montre la pertinence de l’étude des poudres pratiquée dans les conditions de l’UHV. / The analysis of adsorption from the first stage to saturation is necessary to understand gas/solid interactions. This is the motivation for surface analysis under vacuum. The common approach of dispersed materials surfaces is incomplete since working pressures, that are high enough to achieve reasonable reaction times, do not allow studies of powder surfaces from bare to fully covered. The aim of the present work is to examine the successive changes of ZnO, MgO and ZnxMg1-xO nanopowders upon exposure to water or hydrogen from UHV to the ambient by FTIR. It is shown that ZnO smokes behave in a same way as a collection of single crystals which exhibit (0001), (0001̅), (101̅0) and (112̅0) faces with a non-polar/polar ratio of 75/25. Combining FTIR with XPS and TPD techniques, three stages of hydroxylation were identified on MgO smokes: point defects (10-8 mbar), steps (10-6 mbar) then terraces (> 10-5 mbar). Results indicate a reorganisation of surface structure showing that water adsorption on MgO(100) is an irreversible process. The common model of MgO as a series of (100) facets is questioned. At low concentrations of zinc, the mixed oxide ZnxMg1-xO consists of crystals with similar structure as MgO. A segregation of Zn2+ toward low coordinated surface sites is suggested to explain the changes in reactivity of the ZnxMg1-xO with respect to water and hydrogen at low coverages. Furthermore, the mixture ZnO-MgO produced by combustion of ZnMg alloy combines the antibacterial properties of ZnO and the biocompatibility of MgO, interesting for potential applications. The overall results demonstrate the relevance of the study of powders in ultra-high vacuum conditions.

Le travail de thèse porte sur les méthodes de synthèse de nanostructures de dioxyde de titane et de leurs études physicochimiques afin de préciser les corrélations entre la morphologie, le dopage métallique, les caractéristiques structurales avec l'efficacité photocatalytique. Le grand intérêt pour les nanomatériaux TiO2 réside dans la mise au point de nouvelles sources d'énergie ou la conservation de l’environnement par des processus photocatalytiques. Cependant, la limitation principale de TiO2 est du au large gap électronique (eV ~3,2) du polymorphe Anatase. Ainsi, un des objectifs importants pour l'amélioration de l’efficacité des nanomatériaux TiO2 est d'augmenter leur photoactivité en décalantla création de paires d'électron-trou de l’UV à la gamme du visible. D'ailleurs, on a montré que l'utilisation de nanostructures 1D de TiO2 (nanotubes) a amélioré la collection de charges, en favorisant leur transport dans les structures 1D, qui par conséquent réduit au minimum la recombinaison et prolonge les durées de vie des électrons.La première partie de ce travail est dédiée à la synthèse des nanopoudres TiO2 dopées par des ions métalliques (Ag, Cu, Eu) préparés par sol-gel. Même avec différents éléments de dopage qui apparemment peuvent adopter le même état de valence (2+) (Cu2+, Ag2+, Eu2+), différents comportements ont été démontrés pour l'incorporation efficace de ces ions dans la structure de TiO2. L'anomalie entre les rayons ioniques des différents éléments utilisés module le rapport du dopage substitutionnel. Ceci est en effet réalisé pour Cu2+ mais dans moins d'ampleur pour Ag2+ tandis que les ions d'europium forment une ségrégation de phase Eu2Ti2O7. La dégradation de colorants de bleu de méthylène (MB) a étéaméliorée légèrement avec les échantillons dopés Ag. La raison a été attribuée aux clusters métalliques Ag qui ont été en effet mis en évidence à travers leur bande d’absorption plasmonique. La deuxième partie porte sur des couches minces de TiO2 dopés (Cu, Ag, et Eu) qui ont été élaborés par sol-gel et spin-coating et dipcoating. Les paramètres optimaux ont été obtenus pour réaliser les films cristallins mais présentant une organisation mésoporeuse qui dépend également du processus de dopage. Des études de Photocatalyse ont été également réalisées et l'efficacité des films ont été comparées en fonction des éléments dopants. La troisième partie de la thèse est liée à la modification morphologique des nanoparticules pour former des nanotubes à l'aide de la méthode hydrothermale sous pression contrôlée. Un plan d'expérience basé sur la méthode Taguchi a été utilisé pour la détermination des paramètres optimaux.Les nanotubes TiO2 augmentent la surface spécifique en comparaison avec les nanoparticules. La dégradation de bleu deméthylène par les nanotubes a montré une efficacité photocatalytique plus élevée qu’avec les nanopoudres TiO2 pures etdopés Ag. / The thesis work is focused on the synthesis methods of titanium dioxide nanostructures and their physico-chemical studies in order to point out the correlations between the morphology, metal doping, structural features with the photocatalytic efficiency. The great interest on TiO2 nanomaterials deals with new sources of energy or in the environment preservation through the photocatalytic properties. However, the main limitations is due to the wide band gap (~3.2 eV) of the anatase polymorph. Thus, a major objective for improvement of the performance of TiO2 nanomaterials is to increase theirphotoactivity by shifting the onset of the electron-hole pairs creation from UV to the visible range. Moreover, it was found that using onedimensional (1-D) TiO2 (nanotubes) improved the charge collection by 1D nanostructures which consequently minimizes the recombination and prolongate the electron lifetimes. The first part of this work is focused on the synthesis of TiO2 nanopowders doped with metallic ions (Ag, Cu, Eu) prepared by Solgel. Even with different doping elements which apparently can adopt the same valence state (2+) such as (Cu2+, Ag2+,Eu2+), different behaviors were demonstrated for the effective incorporation of these ions in the host structure of TiO2. The discrepancy between ionic radii of the different used elements modulates the ratio of the substitutional doping. This is indeed achieved for Cu2+ but in less extent for Ag2+ while Europium ions form segregated phase as Eu2Ti2O7. The experiments on the degradation of methylene blue (MB)dyes have shown slight improvement with Ag-doped samples. The reason was tentatively attributed to the Ag clusters which were indeed demonstrated through their plasmon optical band. The second part of the work concerns thin films of TiO2 doped (Cu, Ag, and Eu) which were elaborated by spin coating and dip coating. The optimal parameters were obtained to achieve crystalline films but presenting mesoporous organisation which also depends on the doping process. Photocatalysis investigations were also realized and the efficiency of the films compared as function of the doping elements.The third part of the thesis is related to the morphological modification from nanoparticles to nanotubes by using the hydrothermal method with controlled pressure. An experimental design based on Taguchi Method was employed for the determination of the optimal parameters. TiO2 nanotubes increase the surface area in comparison with TiO2nanoparticles. TiO2 nanotubes were tested for the methylene blue degradation and show a higher photocatalytic efficiency than TiO2 nanopowders and TIO2 doped with Ag.

Structures semi-conductrices à base de NiTiO3, et l'étude de leurs propriétés dans le but de les appliquer en photocatalyse. Une étude théorique et des simulations numériques ont été effectuées pour analyser les propriétés électroniques, vibrationnelles et optiques de NiTiO3 massif ou sous forme de clusters nanométriques. Les poudres NiTiO3 ont été synthétisées par sol-gel par réaction en phase solide, tandis que les films minces ont été obtenus par pulvérisation cathodique rf-magnétron. Les caractérisations de leurs propriétés physiques confirment l'obtention de NiTiO3 polycristallin dans sa phase ilménite. La détermination du gap électronique à 2,25 eV suggère la faisabilité de mise en oeuvre des matériaux synthétisés comme photocatalyseurs actifs sous irradiation en lumière visible. Cette fonctionnalité a été testée par la dégradation du bleu de méthylène en solution aqueuse en utilisant les couches minces de NiTiO3 sous irradiation visible, atteignant la dégradation de 60% de la concentration initiale du colorant en 300 minutes. En outre, l'électro-oxydation du méthanol a été réalisée en appliquant une tension externe sur une électrode contenant des poudres NiTiO3 dans des milieux alcalins. Les ions de Ni présents dans le catalyseur ont été identifiés comme des espèces actives et que l'oxydation des molécules organiques se produit sur la surface des sites de Ni3+. En résumé, NiTiO3 a été synthétisé sous forme de poudres et de films minces ayant des caractéristiques appropriées pour la photocatalyse hétérogène efficace et les capacités catalytiques de NiTiO3 ont été démontrées sur la photodégradation du bleu de méthylène et l'électrooxydation de méthanol. / The thesis work is devoted to the synthesis of NiTiO3-based semiconductive structures, i.e. powders and thin films, and the investigation of their related properties with the aim of their applications in photocatalysis. Theoretical approach and numerical simulations of the electronic, vibrational and optical properties of bulk and nanosized NiTiO3 structures have been carried out in order to deepen the understanding of the experimental results. The synthesis of NiTiO3 powders has been achieved by sol-gel and solid state reaction, while NiTiO3 thin films have been grown by rf-sputtering.Characterizations on their structural, vibrational and optical properties confirm the stabilization of polycrystalline NiTiO3 in its ilmenite phase in both powders and thin films as well. The determination of a band gap at 2.25 eV suggests the feasibility to implement the synthesized materials as visible-light-active photocatalysts. This feature has been tested in thedegradation of methylene blue in aqueous solution using rf-sputtered NiTiO3 thin films irradiated with visible light,achieving the degradation of 60% of the initial concentration of the colorant in 300 minutes. In addition, the electro-oxidation of methanol has been accomplished by applying an external voltage on an electrode containing NiTiO3 powders in alkaline media. The Ni ions present in the catalyst have been identified as the active species with the oxidation of the organic molecules on the surface of Ni3+ sites. As a main achievement, NiTiO3 has been synthesized as powders and thin films with suitable characteristics for efficient heterogeneous photocatalysis and the catalytic capabilities of NiTiO3 have beendemonstrated on the photodegradation of Methylene Blue and the electro-oxidation of methanol.

Основными технологическими и трудно определяемыми примесями в h-BN выступают углерод и кислород. На производстве возникает необходимость в контроле качества с высоким пространственным разрешением как отдельных нанослоев h-BN, так и готовых гетероструктур на его основе. Целью работы является разработка способа неразрушающего контроля дефектности и примесного состава тонких слоев h-BN методами комбинационного рассеяния света и катодолюминесцентной спектрометрии. Выполнен литературный обзор особенностей материала гексагонального нитрида бора и его люминесцентных свойств. Проведены измерения исследуемых образцов при помощи рамановского спектрометра, сканирующего электронного микроскопа с катодолюминесцентной приставкой и электронно-зондового микроанализатора. Выполнен анализ полученных результатов. / The main technological and difficult-to-determine impurities in h-BN are carbon and oxygen. In production, there is a need for quality control with high spatial resolution of both individual h-BN nanolayers and heterostructures based on it. The aim of the work is to develop a method for non-destructive testing of the defects and impurity composition of h-BN thin layers by Raman scattering and cathodoluminescence spectrometry. A literature review of the features of the material of hexagonal boron nitride and its luminescent properties is performed. The samples were measured using a Raman spectrometer, a scanning electron microscope with a cathodoluminescent attachment, and an electron probe microanalyzer. The analysis of the obtained results is performed. Areas of application: diagnostics and quality control.

The present work broaches the physics of light-matter interaction, chiefly using nonlinear optical spectroscopy in a newly developed framework termed as Photon Management Concept. This way, existing fragments dealing with specific properties of harmonic and upconversion nanoparticles (HNPs/UCNPs) are consolidated into a full and coherent picture with the primary goal of understanding the underlying physical processes and their impact on the application side, especially in terms of imaging techniques, via suitable experimental and numerical studies. Contemporary optical setups involving contrast-enhancing agents are frequently limited in their excitation and detection configurations owing to a specialization to a select number of markers. As a result, the bandwidth of experimental methods and specimens that may be investigated is severely restricted in a large number of state-of-the-art setups. Here, an alternative approach involving HNPs and UCNPs, respectively, is presented providing an overview from their synthesis to optical characterization and to potential fields of application. Based on their inherent flexibility based on their nonlinear optical response, especially in terms of wavelength and intensity tunability, the PMC alleviates prevalent limitations by dynamically adapting the setup to a sample instead of the preliminary culling to a reduced number of eligible specimens that must not change their optical properties significantly during investigation. The use of HNPs supersedes such concerns due to their nearly instantaneously generated, strongly anti-Stokes shifted, coherent emission capable of producing radiation throughout the visible spectral range, including infrared and ultraviolet wavelengths. This way, HNPs transcend the traditional field of imaging and introduces potential applications in optomanipulation or holographic techniques. Thorough (nonlinear) optical characterization of UCNPs and alkali niobate HNP ensembles is performed to assess the fundamental physical mechanisms interwoven with numerical studies leading to their wide-ranging applicability. Final remarks show that HNPs are ideal candidates for realization of the PMC and yet hold an even further potential beyond current prospects.