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Couches Minces & Nanomatériaux
(Anciennement NanoMatéraiux à Visée Photonique)



Responsable :

  • Rachel Desfeux, Professeur (Couches minces /Microscopie à champ proche)

Enseignants-chercheurs et chercheurs :

L’équipe « Couches Minces & Nanomatériaux (CMNM) », constituée de 4 Professeurs (dont 1 émérite) et 5 Maîtres de Conférences, constitue l’une des 5 équipes de l’axe « Chimie du Solide (CS) » de l’Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS).  L'équipe CMNM est composée de chimistes du solide et de physiciens. Ses membres sont tous nommés à l’Université d’Artois.

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Mots-clefs :

Oxydes ; Couches minces ; Nanoparticules ; Piézoélectricité ; Ferroélectricité ; Optique ; Ablation laser pulsé ; Microscopies à champ proche ; Spectrosmétries ; Calculs DFT

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Présentation des travaux de recherche :

Les travaux de recherche menés par les membres de l’équipe portent sur la synthèse, la caractérisation avancée et la modélisation de couches minces d’oxydes (multi-)fonctionnels et de systèmes basés sur des nanoparticules dans un but d’applications aux nanodispositifs, essentiellement électroniques et optiques.


Modélisation Caractérisation Synthèse Applications
  • Synthèse

La première mission de l’équipe CMNM consiste à concevoir, développer et élaborer de nouveaux matériaux ou systèmes, soit sous forme de couches minces (principalement des oxydes), soit sous forme de colloïdes composés de nanoparticules et de matériaux moléculaires autoassemblés (cristaux liquides). Les principales propriétés étudiées sont la ferroélectricité, la piézoélectricité, le magnétisme, la luminescence, les propriétés de transport… Dans le cadre particulier des couches minces, cette mission prend en compte le rôle joué par la nature du substrat via les contraintes qu’il induit dans le film, l’épaisseur du film déposé ou bien encore les conditions de synthèse mises en jeu. Dans le cadre des systèmes basés sur les nanoparticules, elle prend en compte l’organisation volumique des nanoparticules par des méthodes originales de piégeage.
  • Caractérisation

La seconde mission de l’équipe consiste à relier les propriétés microstructurales et physiques des systèmes nanométriques élaborés, à partir d’outils et de méthodologies qu’elle développe à l’échelle « nanoscopique ». Pour cela, elle s’appuie essentiellement sur la compétence et la reconnaissance qu’elle a acquise en microscopie à champ proche à partir du milieu des années 1990, au travers notamment du développement de modes singuliers tels le MFM (Magnetic Force Microscopy) et le PFM (Piezoresponse Force Microscopy), et des spectrométries vibrationnelles (Raman - Infra-Rouge).
  • Modélisation

La troisième mission de l’équipe réside dans l’étude des paramètres expérimentaux et la compréhension des phénomènes qui régissent le comportement des matériaux à l’échelle locale (rôle de l’interface substrat/film, structure électronique…) en développant des calculs ab-initio ou des modèles originaux liés aux fonctions de dispersion des matériaux colloïdaux associées par des méthodes de calculs DDA (Discrete Dipole Approximation).


Applications : l’objectif est d'optimiser les propriétés de nouveaux matériaux que l’équipe synthètise en vue de les intégrer dans des nanodispositifs électroniques, optiques ou dans le domaine de l'énergie. Dans des cas particuliers, elle fait appel à des techniques disponibles à l’extérieur telles que le FIB (Focused Ion Beam) afin de nanostructurer les couches minces et d’étudier l’effet de taille. Elle fait également appel à l’extérieur pour l’analyse plasmonique en mode cartographie. En raison des contraintes environnementales, elle s’intéresse essentiellement à des matériaux non-toxiques (exempts de plomb pour les couches minces par exemple).
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ANR NanoPiC :

L'équipe participe au projet ANR NanoPiC (2017-2021) intitulé«Étude du comportement piézoélectrique multi-échelles de composites innovants micro- et nano-structurés».
Le projet NanoPiC a pour objectif de mener un programme de recherche et de développement de matériaux piézoélectriques innovants et ayant des propriétés améliorées, à partir de composites céramiques-polymères structurés. Il s’agit d’une part de fabriquer des composites comportant des domaines micro- et nano-structurés de céramiques non toxiques et de polymères fluorés et d’autre part de caractériser le comportement piézoélectrique aux échelles macroscopique et nanoscopique. La compréhension des comportements piézoélectriques de ces matériaux composites structurés est un enjeu scientifique fort et ouvre la voie à l'utilisation de ces matériaux pour des applications dans le domaine des pMUT (piezoelectric Micro machined Ultrasonic Transducers).
Le projet regroupe les laboratoires UMET (Villeneuve d'Ascq), IEMN (Villeneuve d'Ascq), ICGM (Montpellier) et UCCS (Lens).
Les membres de l'UCCS impliqués sont Rachel Desfeux, Anthony Ferri et Antonio Da Costa.
Ils sont chargés de caractériser à l'échelle locale les propriétés électromécaniques des composites fabriqués (céramiques et polymères) par microscopie à force atomique.
Site du projet NanoPiC :
Nanopic
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Collaborations :

Nos recherches reposent sur de nombreuses collaborations, avec notamment, l’Université de Southampton (Angleterrre), l’Université de Saarland (Allemagne), l’Université Tor Vergata de Rome (Italie), l’Université de Kiev (Ukraine), l’Université de Sidi Bel Abbès (Algérie), l’Université de Barcelone (Espagne), le CRISMAT-Caen, l’IEMN-Lille, l’UDSMM-Calais, le LRCS à Amiens, …

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Faits marquants   :



Suite à un projet exploratoire MaProSu (PIR Matériaux), nous avons développé, en couches minces, de nouvelles phases métastables issues de la famille des Ln2Ti2O7 (Ln = Sm, Eu, Gd) à structure pérovskite en feuillets. Le caractère ferroélectrique a été mis en évidence via des mesures PFM. Au travers d’études structurales menées en collaboration avec l’équipe OXIN (P. Roussel) par diffraction de rayons X haute résolution, des relations structure-propriétés ont été établies. Des résultats ont été modélisés par des calculs ab-initio (2 thèses, J. Mater. Chem. 2012, 22, 9806 ; J. Mater. Chem. 2012, 22, 24894 ; Phys. Rev. B 2012, 86, 125136).

 

 


Nous sommes l’un des pionniers de la caractérisation de couches minces piézoélectriques/ferroélectriques par PFM à l’échelle nanométrique. A ce titre, des études ont été menées sur des îlots fabriqués par faisceau d’ions focalisés Ga+ sur des films de PbZr0.4Ti0.6O3 et de La2Ti2O7 (sans plomb) réalisés en collaboration avec l’IEMN et via l’utilisation de sa plateforme technologique. Ces mesures ont permis de mieux comprendre le comportement de la matière à l’irradiation dans le cadre de la fabrication de nano-objets fonctionnels (J. Appl. Phys. 2009, 105, 044101 ; J. Appl. Phys. 2010, 108, 042008 ; J. Am. Ceram. Soc. To be published). Par ailleurs, des mesures PFM réalisées en collaboration avec le laboratoire CRISMAT de Caen sur des hétérostructures multiferroïques de [(BiFeO3)m/(SrTiO3)n]p ont démontré le fort potentiel de la contrainte interfaciale au sein des superréseaux pour la maîtrise de l’orientation des domaines ainsi que de leur densité. Ce résultat est particulièrement intéressant en vue d’applications basées sur l’ingénierie des domaines et de leurs parois (J. Magn. Magn. Mater. 2009, 321, 1710 ; Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 022902)
Nous avons développé un module singulier de la mesure de la fatigue électrique à l’échelle nanométrique via la pointe d’un microscope à force atomique et sans électrode supérieure. Ce développement a conduit à la mise en évidence d’une résistance à la fatigue des propriétés électromécaniques locales plus importante pour un film ferroélectrique de PMN-PT déposé sur une électrode oxyde que pour un film élaboré sur une électrode métallique. Ces mesures ont permis d’établir le lien entre l’endurance électrique du film et la nature du matériau constituant l’électrode (Thin Solid Films 2011, 520, 591-596)
Nous avons montré que l’ajout en faible concentration de nanoparticules ferroélectriques dans un cristal liquide nématique améliorait de manière significative les propriétés électro-optiques de ce dernier (tension de switch, biréfringence). Par ailleurs, le travail effectué dans le cadre de l’ANR P3N2009 NANODIELLIPSO a contribué à l’amélioration du logiciel d’ellipsométrie Delta-Psi 2 développé par Horiba scientific concernant la mesure des propriétés optiques de nanomatériaux (Review of Scientific Instruments 035103 (2010), J. Appl. Phys. 074102 (2012), 1 thèse en cours).

 


 

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Thèses, ATER, post-doc (2008 à 2013) :

Nom, Prénom

Type

Titre de la thèse

Ferri Anthony

Thèse

Shao ZhenMian

Thèse
ATER
Bruyer Emilie
Thèse
ATER
Bayart Alexandre
Thèse
Nemer Salim
Post-Doc
Detalle Mikaël
ATER

 

Pour en savoir plus :

 

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