Développement d'une chambre de transfert entre l'ultra-haut vide et le milieu électrolytique : application à des surfaces Pt / W (111) nanostructurées, Self-organized Pt/W(111) nanopyramides : model surfaces for PEM fuel cells electrocatalysts

Mohammad El Jawad

Description

Sous la direction de Bruno Gilles
Thèse soutenue le 11 février 2011: UNIVERSITE DE GRENOBLE, Grenoble
Nous avons développé un système de transfert des surfaces monocristallines préparées sous ultra-haut vide (UHV) vers un milieu électrolytique pour effectuer des mesures voltampérométriques. Ce système original très compact comprend une valise sous vide et une cellule électrochimique dédiée. Le système a été testé avec succès sur des surfaces monocristallines de platine, en particulier la surface Pt(111) très sensible à la qualité de la préparation sous UHV. Puis nous avons utilisé ce système pour caractériser les propriétés électrochimiques du système Pt/W(111) avec d'une part l'effet des contraintes élastiques pour les couches ultra-minces planaires de Pt épitaxié ainsi que la stabilité en milieu électrolytique de nano-pyramides obtenues par déstabilisation en température des surfaces Pt/W(111). Ce travail ouvre des perspectives intéressantes pour l'étude électrochimiques des surfaces modèles préparées sous UHV.
-Nano-facettage
-Nanopyramides
-Système de transfert
-Preparation et caractérisation physique et électrochimique des surfaces Pt/W(111) nanostructurées
-Ultra haut vide
-Voltampérométrie cyclique
-Épitaxie par jets moléculaire
In this work, we developed a system for transferring single crystal surfaces prepared in ultra-high vacuum (UHV) to an electrolytic medium where voltammetric measurements are carried out. This unique system includes a compact vacuum chamber and its dedicated electrochemical cell. The system was successfully tested on platinum single-crystal surfaces; in particular the Pt (111) surface which is well known for it's sensitive to the quality of the preparation under UHV. Then we used this system for characterizing the electrochemical properties of the Pt / W (111) system, both the effect of elastic strain of ultrathin epitaxial planar Pt films and the stability of nano-pyramids obtained after a temperature annealing of the planar Pt / W (111) system. This work opens up interesting perspectives for the study of electrochemical model surfaces prepared in UHV.
-Nanofaceting
-Nanopyramids
-Transfer system
-Preparation and characterization (physical and electrochemical) of Pt/W(111)
-Ultra high vacuum
-Cyclic voltammetry
-Molecular beam epitaxy
Source: http://www.theses.fr/2011GRENI005/document

Sujets

• Voltampérométrie cyclique

Informations

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• Nombre de lectures: 74
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Materiaux, Mecanique, Genie Civil, Electrochimie
Arrêté ministériel : 7 août 2006



Présentée par
« Mohammad Kassem EL JAWAD »


Thèse dirigée par « Bruno GILLES » et
codirigée par « Frédéric MAILLARD »

préparée au sein du Sciences et Ingénieurie des Matériaux et
des Procédés
dans l'École Doctorale Ingénierie-Matériaux Mécanique
énergétique environnement procèdes production

Développement d'une chambre
de transfert entre l'ultra-haut
vide et le milieu électrolytique:
application à des surfaces
Pt/W(111) nanostructurées

Thèse soutenue publiquement le « 11/02/2011 »,
devant le jury composé de :
M. Claude HENRY
Directeur de Recherche, Université Aix-Marseille 2, Président
Mme. Elena R. SAVINOVA
Professeure des universités, Université de Strasbourg, Rapporteur
M. Bruno GILLES
Directeur de Recherche, Institut Polytechnique de Grenoble, Membre
M. Frédéric MAILLARD
Charge de recherche, Institut Polytechnique de Grenoble, Membre
M. Ricardo P. NOGUEIRA
Professeur des universités, Institut Polytechnique de Grenoble, Membre
M. Spyridon ZAFEIRATOS
Charge de Recherche, Université de Strasbourg, Membre
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A mes parents…..
A mon frère Ali EL JAWAD
A ma sœur Fatima EL JAWAD…..
A mon épouse Fatemah El JAWAD….













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Remerciements


Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur Michel Pons, directeur du laboratoire SIMAP et
Monsieur Eric Vieil directeur du LEPMI pour m'avoir accueilli pendant les trois ans de thèse.

Je tiens à exprimer ma reconnaissance à mon directeur de thèse, Monsieur Bruno Gilles,
directeur de recherche CNRS, pour tous les précieux conseils qu’il m’a donnés, pour le temps
qu’il a consacré à diriger cette thèse et surtout pour la confiance qu’il m’a témoignée. Ceci
m’a vraiment aidé à promouvoir mes recherches dans le domaine scientifique.

Je remercie chaleureusement mon co-directeur de thèse, Monsieur Fréderic Maillard, chargé
de recherche CNRS, pour ses conseils et discussions très constructifs, ayant permis une très
bonne orientation des travaux de cette thèse et pour le temps consacré à la correction de ce
rapport.

Je remercie tout particulièrement et sincèrement, Madame Elena Savinova, professeure à
l’Université de Strasbourg, et Monsieur Claude Henry, directeur de recherche CNRS de
l’Université de la Méditerranée (Marseille), d’avoir accepté de lire ce manuscrit en tant que
rapporteurs.

Cette thèse n’aurait pas été aussi enrichissante sans la présence et l’expérience de certaines
personnes. Je pense en particulier à Monsieur Jean-Louis Chemin, qui a fortement contribué
aux différentes installations de la chambre de transfert réalisée pendant cette thèse.
Egalement, je voudrais remercier le verrier Monsieur Guy Espagnac, pour toutes les
modifications qu'il a apportées sur les composants de notre montage électrochimique.

Je remercie aussi mes collègues du groupe PM au laboratoire SIMAP, Sinh, Oussama,
Malika, Roman, Guilhem, Benjamin et celles de groupe ESME au LEPMI Benoit, Nicolas,
Pascale, Julien, Emmanuel, Bruno et Zuzan pour tout le bien qu’ils m’ont fait.

Je ne peux pas oublier toute ma famille, ma mère, mon père, ma sœur (Fatima) et mon frère
(Ali) pour leur appui continu et inconditionnel, et à ma femme Fatemah Abou Hamad El
Jawad la source de ma motivation. Vous êtes toujours présents dans mon cœur malgré la
grande distance géographique qui nous sépare.

Enfin, je dédie ce mémoire à mon frère le martyre Ali El Jawad, licencié en chimie générale,
qui a été tué lors de l'été 2006 pendant la guerre contre le Liban.


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tel-00591806, version 1 - 10 May 2011tel-00591806, version 1 - 10 May 2011Table des matières

Nomenclature des notations et abréviations.........................................................................................9
Introduction générale..........................................................................................................................13
Chapitre I. Matériel, Méthodes et Concepts.......................................................................................19
I.1 Montage ultra haut vide (UHV) ................................................................................... 21
I.1.1 Sas d’introduction ................................................................................................ 22
I.1.2 Chambre de caractérisation .................................................................................. 22
I.1.3 Chambre de dépôt................................................................................................. 23
I.2 Caractérisation structurale, chimique et électrochimique ............................................ 23
I.2.1 Spectrométrie de photoélectrons X (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) .. 24
I.2.2 Spectrométrie de photoélectrons Auger (AES).................................................... 25
I.2.3 Diffraction d'électrons lents ou de basse énergie (LEED) ................................... 27
I.2.4 La diffraction d’électrons de haute énergie en mode réflexion (RHEED)........... 30
I.2.5 Microscopie à force atomique (AFM).................................................................. 31
I.2.6 Microscopie à effet tunnel (STM)........................................................................ 32
I.2.7 Mesures électrochimiques.................................................................................... 34
I.3 Préparation des surfaces ............................................................................................... 40
I.3.1 Polissage de W(111)............................................................................................. 41
I.3.2 Mesure de l’orientation de la surface ................................................................... 42
I.3.3 Mise en place des échantillons sur le molyblock modifié.................................... 46
I.3.4 Chauffage des échantillons par bombardement électronique............................... 47
I.3.5 Préparation des surfaces W(111) : illustration de quelques problèmes et
leur solution ....................................................................................................................... 50
I.4 Dépôts de films minces ................................................................................................ 53
I.4.1 Epitaxie................................................................................................................. 53
I.4.2 Microbalance à cristal de quartz (MCQ).............................................................. 57
Chapitre II. Transfert des surfaces Pt(hkl) et Pt/W(111) de l'ultra-haut vide vers la pression
ambiante et le milieu électrolytique ...................................................................................................59
II.1 État de l'art................................................................................................................ 61
II.2 Description et plans de la chambre de transfert ....................................................... 65
II.2.1 Description de la chambre de transfert développée dans le cadre de ce travail ... 65
II.2.2 Mesure du vide dans la chambre d'accueil........................................................... 67
II.3 Montage et protocole expérimental.......................................................................... 69
II.3.1 Conception de la cellule électrochimique ............................................................ 69
II.3.2 Tests préliminaires ............................................................................................... 70
II.3.3 Préparation des mesures électrochimiques........................................................... 72
II.3.4 Protocole de transfert ...........................................................................................