Prospectives dans le domaine des materiaux

PROSPECTIVES DANS LE DOMAINE DES MATERIAUX

(UJF)

1. Lister les laboratoires (au coeur et à la périphérie du secteur) et les
structures de type fédératif.

Structure Fédérative: IPMC: Institut de Physique de la Matière Condensée

Etablissements de tutelle: UJF, INPG, CNRS-SPM, CEA
Cette structure regroupe les laboratoires:
Laboratoire de Spectrométrie Physique, LSP, UMR 5588

Directeur : Benoît BOULANGER http://www-lsp.ujf-grenoble.fr/

Laboratoire de Physique et modélisation des milieux condensés, LPM2C, UMR 5493

Directeur : Franck HEKKING http://lpm2c.grenoble.cnrs.fr/

Centre de Recherches sur les Très Basses Températures, CRTBT, UPR 5001

Directeur : Henri GODFRIN http://www-crtbt.grenoble.cnrs.fr/

Laboratoire de Cristallographie, LdC, UPR 5031

Directeur : Michel ANNE http://www-cristallo.grenoble.cnrs.fr/

Laboratoire Louis Néel, LLN, UPR 5051

Directeur : Joël CIBERThttp://lab-neel.grenoble.cnrs.fr/

Laboratoire d'Etudes des Propriétés Electroniques des Solides, LEPES, UPR 0011

Directeur : Didier MAYOU http://lepes.grenoble.cnrs.fr/

Laboratoire des Champs Magnétiques Intenses, LCMI, UPR 5021

Directeur : Gérard MARTINEZ http://ghmfl.grenoble.cnrs.fr/

Consortium de Recherche pour l'Emergence de Technologies Avancées, CRETA

Directeur : Eric BEAUGNONhttp://www.grenoble.cnrs.fr/CRETA/creta.html

Service de Physique Statistique, Magnétisme et Superconductivité, SPSMS, DRFMC-CEA

Directeur : Louis JANSEN http://www-drfmc.cea.fr/SPSMS/accueil.htm

Laboratoire de Structure et Propriétés d'Architectures Moléculaires, SPrAM, DRFMC-CEA, UMR 5819
Directeur : Jean-Pierre TRAVERShttp://www-drfmc.cea.fr/SI3M/web_si3m/vf/present.htm

Service de Physique des Matériaux et des Microstructures, SP2M, DRFMC-CEA

Directeur : Noël MAGNEA http://www-drfmc.cea.fr/SP2M/

Spintronique et Technologie des composants, SPINTEC, CEA-CNRS, URA 2512

Directeur : Jean-Pierre NOZIERES http://www-drfmc.cea.fr/SP2M/sp2m/spintec/spintec_fr.htm

Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique, LMGP, INPG-CNRS, UMR 5628

Directeur : François WEISS http://www.inpg.fr/LMGP/

Ces laboratoires travaillent sur la compréhension des phénomènes physiques dans les matériaux, la recherche de nouveaux matériaux, l'étude de leurs propriétés, leur mise en forme et les possibilités d'applications dans des domaines très variés:

- nanotechnologies

- énergie

- électrotechnique

- environnement

- etc ……..
Les recherches dans le domaine des matériaux nous semblent devoir être classée suivant les propriétés les plus spécifiques de ces matériaux. En tous cas, cette classification est la mieux à même de rassembler des chercheurs de nombreux laboratoires sur une même thématique.
Ainsi nous pouvons mentionner des recherches sur:
1) les matériaux magnétiques (qui peuvent être massifs ou nanostructurés) dans le but d’en améliorer les propriétés fonctionnelles (matériaux magnétiques durs ou doux, matériaux présentant des effets magnétostrictifs, magnétorésistifs ou magnétocaloriques). Dans ce domaine, on peut identifier deux grands axes de recherche actuels : - d’une part, la préparation de matériaux artificiels aux propriétés contrôlées, dans une approche de type ingénierie des matériaux qui se fonde sur notre connaissance du magnétisme de la matière ; - d’autre part, une approche complémentaire qui vise à l’élaboration de matériaux nanostructurés dont les propriétés spécifiques trouvent leur origine dans le fait que les dimensions des cristallites constitutifs sont de l’ordre des dimensions caractéristiques de la portée des phénomènes physiques en jeu.
2) les matériaux supraconducteurs ou conducteurs et leurs applications.

Après la flambée d'efforts sur les cuprates supraconducteurs dont la température critique la plus élevée atteint 135K, les efforts portent sur les applications de ces matériaux en échantillons courts ou en fils (ou rubans) avec le concours d'industriels et d'un réseau Européen. Des supraconducteurs à plus basses température critique, MgB2, sont apparus plus récemment avec l'avantage qu'ils permettent de fabriquer des rubans et fils indispensables pour nombre d'applications.

D'autres conducteurs, polymères, peuvent entrer dans cette thématique. Ainsi on étudie de nouveaux systèmes polymères -conjugués (linéaires, copolymères à blocs, gels, matériaux nanostructurés, ….) à structures et à propriétés contrôlées. L’objectif général poursuivi est d’améliorer les propriétés, notamment électroniques, et de les adapter aux différentes applications envisagées (conductivité dans le cas des conducteurs, mobilité des charges pour l’électronique plastique, spectre d’absorption pour le photovoltaïque ou l’electroluminescence, ...). D’autres propriétés (mécaniques, processabilité, durabilité, …) sont également prises en compte au niveau de la conception et de l’étude de ces matériaux.

La recherche sur les matériaux semiconducteurs (notamment semiconducteurs à grande bande interdite) débouche sur des applications nouvelles ou plus performantes en électronique bien sur, mais aussi dans d'autres domaines comme l'environnement.

3) Les matériaux multifonctionnels pour l’optique laser
Le développement de l'optique laser, tant au niveau de la recherche fondamentale que celle appliquée à la médecine, l’environnement ou aux télécommunications par exemple, est directement conditionné par les progrès réalisés en science et génie des matériaux, concernant des composés minéraux ou organiques, amorphes ou cristallisés, sous forme massive, en couches minces ou en fibres.

Dans ce contexte, les cristaux occupent une place prépondérante. Selon la propriété optique visée, la recherche en ingénierie cristalline doit permettre l'émergence de nouveaux cristaux adaptés et optimisés vis-à-vis d'une utilisation spécifique potentielle, en termes de fonctionnalité, de robustesse et de recyclabilité. Il est alors nécessaire de développer des stratégies pertinentes de conception de nouveaux composés non toxiques, ainsi que des méthodes d'élaboration cristalline et de caractérisation physique performantes.

Cette problématique de design des matériaux définit le cadre du projet proposé ici, qui porte sur les cristaux générateurs de rayonnement laser accordable de l’ultra-violet à l’infra-rouge. Nous proposons de concevoir des cristaux multi-fonctionnels, qui présentent à la fois des propriétés lasers, optiques non-linéaires et électro-optiques ainsi que l’intégration des composants optiques par des technologies de couches minces ou de fibres. La chimie de ces composés devra éviter les éléments toxiques, comme l’arsenic par exemple, et permettre de minimiser les effets photochromiques responsables du vieillissement des cristaux par le rayonnement qu’ils émettent.
4) Les matériaux aux interfaces: physique/biologie, physique/chimie, environnement:
Développement de l'activité sur l’élaboration de couches bio-sensibles, sur les mesures d'interactions biologiques et l’étude des interfaces bio-actives par des méthodes optiques et électriques, et leur modélisation (SPrAM). Les études sur la fonctionnalisation des surfaces et des nanocristaux fluorescents, à la base de la réalisation de biopuces et de marqueurs biologiques, seront poursuivies.

Parmi les événements fondamentaux qui interviennent dans la vie cellulaire, l'adhésion et la motilité sur des substrats solides permettent des mesures quantitatives qui peuvent être confrontées à la modélisation. Le champ de recherche du SPrAM dans ce domaine est de développer les modèles qui décrivent les processus physiques et chimiques à l'échelle de la cellule vivante dans le cadre de l'adhésion et de la motilité cellulaire.

5) Les matériaux à électrons fortement corrélés: oxydes, fermions lourds
C'est dans cette classe de matériaux à corrélations électroniques fortes qu’apparaissent de nouveaux états de la structure électronique dont les propriétés originales permettront le développement de nouvelles applications technologiques. En effet, dès aujourd'hui il est possible de prévoir les limitations des matériaux actuels et c'est en imaginant des matériaux possédant de nouvelles propriétés que l'on pourra lever certains verrous technologiques. Une ouverture existe déjà dans la direction de matériaux plus complexes associant plusieurs propriétés (magnétisme et supraconductivité, photomagnétisme, magnétostriction etc.) matériaux multifonctionnels, multiferroïques. Ainsi on peut imaginer contrôler une propriété en agissant sur l'autre et, par exemple, commander l'aimantation avec de la lumière ou un champ électrique.
Les études de ces matériaux vont de l’élaboration d’échantillons de bonne qualité, principalement mono-cristallins, suivie par des mesures des propriétés macroscopiques de transport et thermodynamique et des propriétés microscopiques en utilisant les grands instruments, comme l’ILL et l’ESRF, présents à Grenoble. Parmi les phénomènes étudiés dans des systèmes quantiques complexes l’accent est mis sur la coexistence de la supraconductivité et du magnétisme, sur les points critiques quantiques dans des transitions de phase à très basses températures, sur la frustration magnétique, et sur l’ordre magnétique dans des structures ordonnées en spin sous forme de chaînes ou d'échelles. Un effort particulier est mis sur le couplage théorie-expérience et sur le développement d’une infrastructure avec des conditions extrêmes comme les très basses températures, les hautes pressions, et les champs magnétiques forts.
­6) Instrumentation et grands équipements pour la recherche sur les matériaux innovants:

La recherche fondamentale en matière condensée, constitue une discipline d’excellence en Rhône-Alpes et particulièrement à Grenoble, par la qualité et l’abondance des grands instituts internationaux : ILL, ESRF, LCMI, et des laboratoires du CNRS, du CEA Grenoble, de l’Université Joseph Fourier ou de l'INPG …et à Lyon (ENS, INSA, UCBL…).

­7) Plates formes d'élaboration:

- Le Consortium de Recherche pour l'émergence de Technique Avancées (CRETA, Eric Beaugnon)
Le CRETA, Unité Propre de Service du CNRS, est à l'interface entre la recherche fondamentale des laboratoires partenaires et le développement d'applications et de dispositifs fonctionnels, notamment dans le domaine privilégié des applications des propriétés physiques des matériaux. Le CRETA dispose de moyens d'élaboration originaux, en particulier sous champ magnétique intense, et propose plusieurs projets d'élaboration de matériaux macroscopiques supraconducteurs ou magnétiques pour applications.
Mots clefs :

Elaboration sous champ magnétique intense

Instrumentation in situ de l'élaboration

Supraconducteurs et matériaux magnétiques pour applications

Plateforme élaboration
- Plate-forme PLASMAS (Jacques Pelletier)

Pour l’élaboration de matériaux nouveaux en couches ou la modification des propriétés fonctionnelles de ces couches, les technologies plasma sont considérées, à juste titre, comme des technologies propres. En effet, les plasmas opèrent dans des milieux confinés, mettent en œuvre de faibles quantités de matière, et ce avec des rendements très élevés. C’est le cas, en particulier, des procédés par pulvérisation. En outre, les plasmas permettent aussi bien de déposer une couche que de l’enlever par gravure ou pulvérisation, ce qui permet d’envisager des opérations de recyclage, ou en tout cas, de décontamination (matériaux nuisibles à l’environnement).

Sur le polygone, la Plate-forme technologique « Plasma Recherche Innovation », gérée par l’UFR de Physique de l’UJF, dont la vocation est triple, à savoir, formation, recherche et valorisation, dispose d’outils extrêmement performant et versatile pour le dépôt et l’élaboration de matériaux nouveaux en couches minces. Ces outils sont des réacteurs plasma permettant :

- dépôt par pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire ou PAPVD (couches magnétiques)

- dépôt par CVD assisté par plasma multi-dipolaire (PACVD)

- dépôt par procédés mixtes PAPVD + PACVD (matériaux nanocomposites)

- dépôt par procédés duplex (multicouches)

- implantation ionique par immersion plasma (modification des propriétés fonctionnelles des couches)

- Plate-forme SPHERE (Patricia Segonds-Benoît Boulanger)

Cette plate-forme installée au Laboratoire de Spectrométrie Physique est destinée à la caractérisation des propriétés optiques non linéaires de conversion de fréquence. Elle repose sur une idée originale qui consiste à utiliser la forme sphérique pour l’étude du cristal considéré. C’est aujourd’hui la seule méthode permettant une mesure directe des directions d’accord de phase de somme et différence de fréquences, ainsi que les rendements de conversion associés. L’usinage en forme de sphère ainsi que l’orientation cristallographique sont réalisés au Laboratoire de Cristallographie. Le banc de mesure comprend une source laser accordable de 400 nm à 2400 nm, un cercle d’Euler ainsi qu’une chaîne de détection. C’est une des plates-formes du réseau technologique national du CNRS « Cristaux Massifs et Dispositifs pour l’Optique (CMDO) ».

_________________________


La recherche sur les matériaux est particulièrement vivante et attractive dans la région Rhône-Alpes. Elle s'appuie sur des compétences théoriques et expérimentales reconnues. En particulier des moyens d'élaboration et de mesures originaux ont été développés, soit dans les laboratoires soit dans et avec les grands équipements: Fours à image (commercialisation), presses pour élaboration à haute pression haute température (commercialisation), cryostats à dilution (commercialisation), élaboration à haute pression et haute température et suivi des raies de diffraction (laboratoires et ESRF). Association de technologies de microscopies de champ proche, des champs pulsés et de la diffraction X (ESRF). Imageries en champ pulsé. Mesures à très hautes pressions et très basses températures et diffraction de neutrons (Laboratoires, ILL). Développement d'instruments de mesure, et commercialisation.
Cette recherche sur les matériaux s'appuie sur les laboratoires, sur les grands équipements et sur une mutualisation des plates formes d'élaboration de traitements ou de caractérisations: CRETA, plasmas, optique.
Une toute petite partie, la plus proche des applications, de ces thématiques "matériaux" devrait bénéficier d'interactions que renforcera la mise en réseau régional à travers le "Schema Régional de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche" SRESR.

2. Identifier les changements ou évolutions prévisibles ou possibles (eg
regroupement de laboratoires, éclatement, ...).

La recherche sur les matériaux nouveaux nécessite souvent l'utilisation de grands équipements: diffraction de neutrons, rayonnement synchrotron, champs intenses, plates formes technologiques. Il est important de favoriser les interactions avec ces grands équipements au niveau théorique et expérimental (enseignants chercheurs) et de renforcer les enseignements aux interfaces avec ces équipements de rayonnement international: visibilité de Grenoble et de l'UJF !

Des regroupements de laboratoires, le rapprochement d'équipes travaillant sur des sujets voisins, ou le rapprochement de certaines équipes des grands équipements sont déjà en cours ou à envisager, en tout cas à encourager.

Ainsi, on peut envisager des rapprochements de laboratoires (LEPES et LLN actuellement) quand la mise en commun de moyens (techniques et expérimentaux) permettra une meilleure efficacité. Certaines équipes du laboratoire de "SPECTRO" ont intérêt à se rapprocher des laboratoires du Polygone, d'autres ont intérêt à rester proches de leurs partenaires privilégiés.
Il est certain qu'avec MINATEC, mais indépendamment des mouvements qu'il entraîne, un regroupement des activités d'enseignement de l'UJF et des activités de recherche sur les matériaux doit se faire autour des grands équipements et des laboratoires du CNRS.

Le projet de bâtiment EEED sur le site du Polygone devrait donner une présence forte et visible de l'UJF, et assurer son rayonnement à travers les nombreuses collaborations et recherches de haut niveau qui seront favorisées par cette proximité.

En même temps, l'accueil de physiciens théoriciens (maison Jean Perrin) en sera plus efficace.

3. Identifier les problèmes et difficultés (laboratoires ou équipes en

difficulté ou au positionnement difficile, laboratoire "trop petits",
équilibres entre pôles tq campus, polygone, site santé, ...).

Il est certain que la proximité des grands équipements et de labos de recherche sur les matériaux, la biologie structurale, la santé (synchrotron), la théorie devrait favoriser des regroupements sur le site du polygone, qui bénéficie aussi de la présence de ST, du CEA et de l'INPG et bientôt de Minatec. Les matières dures et une partie d'autres thématiques (biologie structurale, santé, physique des particules) se retrouveraient donc sur ce site.

D'autres rapprochements permettront de mieux identifier d'autres pôles (Campus, Tronche, Sud) grenoblois.



4. Identifier les grands projets scientifiques (éventuellement en liaison
avec SRESR, pôles de compétitivité, avec les projets de nos partenaires...).

Le centre de compétence C'nano (L.Levy) RA doit structurer les activités "nanosciences de la région RA. C'est une structure qui doit permettre une forte visibilité au niveau national et Européen de ces activités en amont des nanotechnologies. L'action de l'UJF et du CNRS pour soutenir à la fois l'interdisciplinarité et la cohérence de ces activités doit être soutenue et renforcée.

5. Identifier les interfaces.

6. Réfléchir à la structuration du secteur (fédérations, TGU, ...).

Actuellement deux fédérations rassemblent les laboratoires travaillant dans le domaine des "nanosciences" : IdNano et de la "physique de la matière condensée": IPMC. Certains laboratoires participent à ces deux fédérations, ce qui apparaît surprenant à certains. En fait, des équipes différentes de ces mêmes laboratoires appartiennent à l'une ou l'autre de ces fédérations. Un rapprochement en une seule fédération est parfois demandé, mais la variété des sujets traités ne faciliterait pas le fonctionnement et l'efficacité d'une "trop grosse" fédération.

7. Réfléchir à nos priorités scientifiques en regard de celles de nos

partenaires (en particulier CEA, CNRS, INSERM ; pour le CNRS).

Le nouveau plan quadriennal devrait être élaboré dès le départ avec un responsable du CNRS (voir réforme en cours) afin qu'il soit signé sans retard. Il apparaîtrait normal que le CNRS apparaisse comme pilote de certains programmes (au contraire de ce qui se passe par exemple pour le SRESR).

8. Identifier les problèmes d'infrastructure (locaux trop grands / trop
petits).

Le LCMI est un "grand équipement" qui devrait disposer de champs statiques de 40 Teslas.

Le départ du MPI (Max Plank Institute) devrait être l'occasion pour s'impliquer plus fortement dans ce laboratoire et utiliser ses possibilités. Le CNRS fait un gros effort dans ce sens. Des journees thématiques vont prochainement permettre de voir les projets d'avenir des sciences en champs intenses. L'UJF doit profiter de cette opportunité technique.

9. Donner une vision de l'évolution démographique à 5 ou 6 ans (horizon

2010), tous partenaires des laboratoires confondus : départs prévus,
arrivées nécessaires pour le développement des thématiques scientifiques.


Vos contributions peuvent être courtes et lister les points importants et
les suggestions
pour le quadriennal (en s'inspirant des points ci-dessus). Comme la forme
finale n'est pas fixée, le texte n'a pas besoin d'être travaillé. Toutes vos
suggestions sont par ailleurs les bienvenues.
En vous remerciant par avance pour votre aide
bien cordialement
marc Sanquer

Annexes

Equipes materiaux (IPMC)
1) Fruchart, Tixador: duree de vie des matériaux magnetiques et (supra) conducteurs

2) D.Fruchart:

matériaux performants pour le stockage réversible de l’hydrogène (Industriel participant : M Jehan, M.C.P. Technologie, Romans (26). Consortium Européen, avec 4 groupes français, Programme « Energie » du CNRS, le CRETA et le LEGI-GRETH (UJF/CEA)).

D.Gignoux: matériaux magnétocaloriques pour la réfrigération magnétique, thème pour lequel Leg ainsi que le LLN et le CRETA ont reçu un prix au dernier salon pollutec.

O.Geoffroy: Materiaux magnetiques nanostructures ultradoux (IMPHY)

P. Odier: Elaboration de (supra) conducteurs souples, programme régional superflex (Rhône-Alpes ; thématique prioritaire dans le domaine matériaux 2003-2006)

Soubeyroux : alliages amorphes à hautes propriétés mécaniques obtenus par refroidissement rapide. Verres métalliques massifs, alliages de magnésium, alliages pour soudure.

E.Beaugnon: transformation sous champ magnétique des aciers (collaboration ARCELOR et AGUF), texturation des matériaux par solidification et recuit sous champ magnétique
3) J.P.Travers: systèmes hétérogènes, polymères…

D.Givord: Amelioration des proprietes magnetiques dans les materiaux complexes

D.Bourgault : rubans et cables supraconducteurs

Henri Mariette: hetero-structures semi-conductrices
4) E.Bustarret: revetements de surfaces pour electrodes (diamant),

J.Pelletier: traitements plasma de surfaces

P. Molho: materiaux fractals
5) Annie Viallat: "biomimétisme, adhésion moléculaire, biomécanique"

B.Fourcade: adhésion et motilité de cellules vivantes sur des substrats solides

P. Muret: materiaux bio-compatibles: le diamant
6) Céline Darie: Elaboration sous haute pression, haute temperature pour applications dans les domaines magnétiques et diélectriques: vers dispositifs multifonctionnels. 

M. Nunez-Regueiro: proprietes des materiaux a haute pression (20 GPa)

A. Benoit, H. Godfrin: tres basses temperatures :bolometrie, etalons …

G. Chouteau: etudes en champs intenses
7) P. Tixador: Electrotechnique Cryogenique: supraconducteurs

D. Fruchart: materiaux pour aimants permanents

E. Beaugnon: Elaboration sous champ magnetique, HT

B. Boulanger, A. Ibanez: Cristaux multifonctionnels pour l'optique,

M-H. Julien: Cristaux à fort pouvoir thermoelectrique

Olivier Geoffroy: sélection des propriétés de matériaux magnétiques pour des applications.

Xavier Chaud: supraconducteurs massifs à parois minces

mails: [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail],

_________________________________________________________________________
les numeros correspondent aux thematiques suivantes

du cluster MACODEV (le 10 janvier)

THEMATIQUES SCIENTIFIQUES DU CLUSTER :

«MATERIAUX ET CONCEPTION POUR UN DEVELOPPEMENT DURABLE»
1 - Durabilité des matériaux et des structures : (notion de durée de vie (et de prévision) dans les systèmes en général), Joël Courbon, Bernard Normand, Alexis Deschamps, Luc Salvo, David Delafosse

2 - Procédés d’élaboration et de mise en forme - Défectologie : (défauts de mise en forme, d'assemblage, micro-structuration, "dangerosité" des défauts, relation "propriétés – procédés"), Jean-Pierre Pascault, Michel Brunet, Jean-Jacques Blandin, Helmut Klöcker

3 - Systèmes hétérogènes et effet d’interface : (nanomatériaux, matériaux granulaires, systèmes

colloïdaux, etc.), Jean-Louis Barrat, Sandrine Bec, Rémy Dendievel, Anna Fraczkiewicz

- Nano-structuration (surface et volume) : (nanomatériaux, matériaux poreux, µélectronique, .),

Georges Brémond, Jean François Gérard, Edgar Rauch, Christophe Pijolat

4 - Surfaces fonctionnelles : (traitement de surface, fonctionnalisation ; tribologie, adhésion –

mouillabilité ; durabilité, etc), Denis Mazuyer, Jean-Claude Viala, Didier Léonard, Michel Langlet, Patrick Benaben, Philippe Vergne

5 - Interaction matière inerte/vivant (santé, fossiles, matériaux naturels ) : (Biomimétisme. Adhésion moléculaire, biomécanique, fossiles, ….), Jérôme Chevalier, Philippe Oger, Didier Delabouglise, Franz Bruckert, Bernard Guilhot, René Guyonnet
6 - Matériaux et structures sous conditions extrêmes : (systèmes géologiques, hautes températures,

soudage, environnement sévère, …) Bruno Reynard, Alain Combescure, Christian Chatillon, Krzysztof Volski

7 - Conception et "Materials by Design" : (critères de choix des matériaux et des procédés, développement de matériaux pour des applications spécifiques (multifonctionnelles) : matériaux à structure interne, etc. Ingénierie mécanique, conception de systèmes et structures), Jean-François Jullien, Eric Maire, Cécile Langlade, Yves Bréchet, Patrice Goeuriot

SRESR C2

Thématique 2 de Macodev: