Prospectives dans le domaine des materiaux
Matériaux et Instrumentation innovants
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- Retombées du projet.
Matériaux et Instrumentation innovantsEquipes potentielles (je les contacte si tu es d’accord, mais je leur en n’ai pas parlé…) : CRTBT : Brison, Hasselbach, Paulsen, Nunez, Gandit LEPES : Markus ? SPSMS : Knebel, Braithwaite, Salce, Flouquet, Marcenat LCMI : Demuer, Sheikin CRETA : Porcar, Bourgault …
Ce projet a pour cadre la recherche fondamentale en matière condensée, 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 instituts français : laboratoires du CNRS, DRFMC/SPSMS au CEA Grenoble, LSP à l’Université Joseph Fourier… La physique de la matière condensée constitue en effet avec (plus récemment) la nanophysique, un des pôles d’attraction du site de Grenoble. Toutes les composantes expérimentales de cette discipline sont représentées : synthèse de nouveaux composés, études de leurs propriétés microscopique et macroscopiques dans des conditions de mesures extrêmes (température, pression, champs magnétiques, neutrons, rayons X…). Les domaines concernés vont du magnétisme à très basses températures, aux supraconducteurs à haute températures critiques, en passant par les systèmes de basse dimension, les métaux à fortes corrélations électroniques... Cette recherche en amont s’attaque à dégager de nouveaux concepts pour la compréhension de systèmes de plus en plus complexes qui présentent de ce fait des propriétés radicalement nouvelles. Un des points particulièrement originaux de la recherche grenobloise est la richesse des développements instrumentaux appliqués à cette discipline. Elle provient du fort potentiel technique à l’origine de l’implantation et de l’essor des laboratoires de recherche. Une des caractéristiques de cette recherche, peut-être opposée par contre à la démarche actuelle en nanophysique, est que les idées ou problèmes posés par les nouveaux matériaux découverts motivent des développements instrumentaux bien ciblés, et non l’inverse. Par contre, le développement en question trouve presque toujours un domaine d’application beaucoup plus large que celui qui l’a motivé, et par cet aspect, les recherches mêmes les plus fondamentales ont toujours eu des liens avec l’environnement industriel et économique de la région. On peut citer en exemple de réalisation récentes l'imagerie magnétique par micro-SQUID fait l'objet d'un soutien de la DGA, qui considère cette technologie comme potentiellement stratégique. Le développement de matériaux ultra-purs pour l'étude des systèmes à fortes corrélations électroniques, nous a conduit à développer les technologies de four à image en partenariat avec une PME locale (Cyberstar, qui les commercialise désormais) est un autre exemple typique de retombée indirecte difficilement prédictible. Les mesures aux plus basses températures ont poussé au développement d’électronique adaptée, développées dans nos laboratoires et commercialisées par Air-Liquide…
Notre projet doit permettre de soutenir et de renforcer ce potentiel unique de développements instrumentaux réalisés dans les différents laboratoires dans ces domaines. La retombée la plus immédiate concerne la formation et les relations internationales. Nous sommes engagés par nos activités de recherches fondamentales dans des collaborations avec la Suisse, l'Angleterre, l'Espagne, les Etats-Unis, le Japon, soutenues par divers programmes (actions intégrées, réseaux européens...) et Grenoble est reconnu comme un centre d'excellence qui attire les visiteurs étrangers grâce à son activité expérimentale et l'implantation de grands instruments. La faculté d'innovation que nous voulons encore renforcer par se projet est un des atouts majeurs du rayonnement de la science grenobloise. C'est aussi vrai pour ce qui concerne le recrutement de très bons doctorants. A l'heure où l'on déplore une baisse des effectifs dans les sciences "dures" (physique, mathématiques...), il importe de préserver la notoriété de nos instituts et d'offrir aux doctorants une formation motivante et bien reconnue. Nos activités impliquent fortement les doctorants dans la mise au point de nouvelles expériences : la synthèse de monocristaux très purs de systèmes à fortes corrélations électroniques, l'imagerie magnétique à SQUID montée sur un AFM, les mesures de transport thermique à très basse température sous fort champ magnétique, la magnéto-optique sur les supraconducteurs à haut-Tc , les mesures de chaleur spécifique sous hautes pressions et milieu hydrostatique... se sont faites au cours de travaux de thèses, avec ou par les doctorants. Cette formation expérimentale poussée rend les thèses plus "risquées" mais elle apporte aux étudiants un "plus" indéniable, apprécié par leurs futurs employeurs tant académiques qu'industriels, indépendamment de la formation initiale des étudiants (universitaire ou école d'ingénieur). Elle représente selon nous une des valeurs les plus appréciables (et appréciée) de la formation par la recherche Notons là encore que nous avons pu jusqu'à présent attirer de très bons étudiants de Paris, d'Espagne, d'Allemagne, à travers des programmes européens comme Erasmus, qui contribuent à maintenir un vivier de personnes hautement qualifiées en Rhône-Alpes. Cette capacité d'attraction de la région, qui rivalise sans complexe avec Paris, ne pourra être maintenue que si nos facultés d'innovations instrumentales, qui ont largement contribué à la réputation des laboratoires grenoblois, sont sans cesse développées.
1) les matériaux magnétiques (D. Givord) Les processus d’aimantation spécifiques des nanomatériaux magnétiques hétérogènes sont étudiés : - effets de type « exchange-spring » par lequel un matériau magnétique doux devient coercitif du fait des interactions avec un matériau dur et - effets dit de décalage d’échange par lequel le renversement d’aimantation d’un matériau feromagnétique est décalé en champ négatif du fait du couplage d’échange avec un matériau antiferromagnétique. Un autre axe de recherche concerne le contrôle des propriétés magnétiques de nanomatériaux par application d’un champ électrique. L’association des compétences pluridisciplinaires en métallurgie, magnétisme et génie des procédés permet explorer des voies originales d’élaboration de nouvelles familles de matériaux magnétiques et mettre en oeuvre les matériaux obtenus au sein de microsystèmes magnétiques (MAGMAS): Nanomatériaux magnétiques et matériaux pour microsystèmes magnétiques. Laboratoire Louis Néel-CNRS : N.M. Dempsey, D. Givord (DR-CNRS), F. Ingwiller (thèse) CRETA-CNRS : S. Rivoirard (IR-CNRS) LTPCM-INPG : M. Verdier (CR-CNRS), M. Véron (MdC-INPG) LEG-INPG : O. Cugat (CR-CNRS), J. Delamare (MDC-INPG)
3) Les matériaux multi-fonctionnels pour l’optique laser. Description des équipes impliquées Les trois équipes porteuses du projet ont des approches très complémentaires, qui permettent de couvrir toute la chaîne de compétences : ingénierie cristalline de nouveaux composés, cristallogenèse, mise en forme et étude fine des propriétés lasers et optiques non linéaires. - Equipe « Optique non linéaire paramétrique », responsable B. Boulanger (Pr UJF) Laboratoire de Spectrométrie Physique, UMR CNRS-UJFGrenoble 1, Saint Martin d’Hères - Equipe « Matériaux pour l’optique », responsable A. Ibanez (DR CNRS) Laboratoire de Cristallographie, UPR CNRS, Grenoble - Equipe « Cristaux lasers », responsable G. Boulon (Pr UCB) Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, UMR CNRS-UCBLyon1, Villeurbanne Partenaires industriels principaux - Departement Optique CEA/LETI (préindustrialisation de Cristaux et de dispositifs optiques) - JDS Uniphase / Nanolase, 31 Chemin du Vieux Chêne, 38941 Meylan (developpement de dispositifs optiques) - Cyberstar, Parc sud Galaxie, 38435 Echirolles (developpement de réacteur de croissance) - RSA Le Rubis, 38560 Jarrie (caractérisation et mise en forme de monocristaux) - CRISTAL TEC, 28, Chemin de la Poterne, 38100 Grenoble (caractérisation et mise en forme de monocristaux). Principaux équipements - Equipements de synthèses chimiques, études structurales et caractérisations (cristaux, couches minces) par diffraction RX. - Fours de croissance cristalline pour cristaux massifs, couches minces épitaxiées, cristallogenèse th-rès hautes températures (>2000°C). - Caractérisation qualité cristalline : profils de raies de diffraction, topographie RX. - Plateforme de mise en forme de monocristaux : orientations optique et RX, découpe et polissage. - Plate-forme de caractérisation des propriétés lasers et non linéaires de cristaux massifs et de couches minces : luminescence, directions d’accord de phase, coefficients non linéaires, guidage optique. Autre exemple: Le diamant est un semi-conducteur covalent qui présente une très large plage de transparence de l'infrarouge à l'ultra-violet profond (gap : 5,5eV, soit 225 nm), avec un indice de réfraction relativement élevé (2,4). Alliées à une bonne inertie chimique, à sa bio-compatibilité intrinsèque ainsi qu'à une conduction thermique et une dureté aux radiations exceptionnelles, ces propriétés font du diamant un matériau envisagé pour de nombreuses applications opto-électroniques dans l'UV profond : photodétecteur aveugle au visible (http://bold.oma.be/), diode électroluminescente (Koizumi et al, Science 292, 1899 (2001)), commutateur de puissance à commande optique pouvant intéresser des industriels locaux (Schneider Electric), etc… Nous nous intéressons aux propriétés de détection lumineuse associés à la génération optique de paires électron-trou que l'on dissocie par un champ électrique (photoconductivité, photodiode p/i/n ou Schottky), une faible concentration de défauts donnant lieu au fort contraste que l'on cherche à obtenir au voisinage du seuil d'absorption pour des applications aux capteurs d’UV profond aveugles à la lumière visible (contact LEPES : P. Muret). Des extensions aux capteurs de positionnement de faisceau de RX sont envisagées, notamment par l’ESRF. En collaboration avec d’autres laboratoires de l’IPMC (Nanofab), nous travaillons également à la mise en forme du diamant pour l’émission et le guidage de la lumière UV (corr. Au LEPES : E. Bustarret). 4) Matériaux aux interfaces Un exemple, le diamant: Rendu conducteur par fort dopage au bore, le diamant constitue un matériau d’électrode bio-compatible, qui ne se corrode pas et qui donne accès à une fenêtre de potentiel électro-chimique particulièrement large. L’exploitation de cette dernière propriété pour le traitement des eaux usées, en particulier aux fortes concentrations de nitrates, fait l’objet d’un contrat du Ministère de l’Industrie RITEAU intitulé Nitradiam, où des industriels nationaux (Vivendi Environnement) ou régionaux (Metal-Process) sont impliqués (correspondant au LEPES : Prof. A. Deneuville). Sa biocompatibilité « intrinsèque » vaut au diamant d’être envisagé et parfois utilisé pour des capteurs électrochimiques ou électroniques de type ISFET après une fonctionnalisation adéquate de sa surface. Ce domaine d’application fait l’objet d’un projet conjoint du LEPES (correspondant : Dr F. Omnès) avec le LEPMI-INPG et le CREAB-SPRAM du CEA Grenoble. Nous attendons aussi de ces collaborations des informations chimiques sur les terminaisons de surface complémentaires de celles que nous obtenons au LEPES par spectroscopie optique (micro-Raman UV et FTIR). 5) Les matériaux à électrons fortement corrélés: oxydes, fermions lourds La famille des oxydes de cobalt (NaxCoO2) se situe au confluent d’enjeux très importants en physique fondamentale et en science des matériaux. Leur pouvoir thermoélectrique est comparable aux meilleurs matériaux connus dans ce domaine. Cette propriété est inattendue dans ces matériaux et elle demeure en grande partie inexpliquée. Néanmoins, de réels espoirs d’applications sont générés par ces nouveaux matériaux. D’une part parce que plusieurs autres familles d’oxydes de cobalt présentent des propriétés similaires, ce qui offre un vaste champ d’investigation pour l’amélioration des performances. Et d’autre part parce que ce sont des oxydes : ils sont donc stables dans l’air à haute température et leur coût de fabrication est bas. Rappelons que les matériaux thermoélectriques peuvent aussi bien servir à la réfrigération qu’à la génération de puissance électrique. A titre d’exemple, ce sont des modules thermoélectriques qui alimentent la sonde Cassini (NASA) à qui nous devons les dernières images de Saturne. A Grenoble, physiciens de la matière condensée et chimistes des matériaux travaillent ensemble pour comprendre les propriétés électroniques de ces matériaux surprenants et pour en synthétiser de nouveaux. La compréhension du mécanisme de pouvoir thermoélectrique est en effet un préalable à l’optimisation de nouveaux matériaux plus performants. Partenaires industriels principaux:* Collaboration de la société Cyberstar (Echirolles) pour la construction du four à images utilisé dans le cadre de ce projet. * Principaux équipements:* Spectromètres RMN, bobines supraconductrices, moyens cryogéniques, SQUID, diffractomètre 4-cercles KappaCCd * Equipements existants et projetés : *cryostat pour expériences de RMN en champ magnétique nul (RQN), tubes à rayons X, alimentation pour bobine, produits chimiques, mélangeurs gaz* Collaborations nationales : *Equipe de J.M. Tarascon (Université d'Amiens) et avec A. Maignan et V. Pralong (CRISMAT Caen) Projet de réseau regroupant chercheurs et industriels sur les matériaux thermoélectriques (A. Maignan) *Collaborations internationales fortement impliquées dans le thème :* collaborations avec le Max Planck Institut de Stuttgart ( Professeurs B. Keimer et C.T.Lin) et avec l'Université de Princeton (Professeur R.J. Cava)* Description des équipes impliquées dans le sous-thème: *- Laboratoire de Spectrométrie Physique : Marc-Henri Julien, CR - Cédric de Vaulx, doctorant - Claude Berthier, DR (Equipe de RMN) - Laboratoire Louis Néel : Virginie Simonet, CR (mesures de SQUID) - Centre de Recherche sur les Basses Températures : Pascal Lejay, IR (croissance de cristaux) - Manuel Nunez-regueiro, DR (mesures de transport) - Laboratoire de Cristallographie : Pierre Bordet, DR (mesures de cristallographie) - Pierre Strobel, DR et Céline Darie, MdC ( synthèse de nouveaux composés) * Lien avec l’enseignement supérieur et 3ème cycle: (aux niveaux M et D) *1 doctorant actuellement sur ce thème (RMN). Un étudiant M1 (synthèse) en 2004.* 6) Instrumentation et grands équipements pour la recherche sur les matériaux innovants: a) Introduction (J.P. Brison): La physique de la matière condensée constitue un des pôles d’attraction du site de Grenoble. Toutes les composantes expérimentales de cette discipline sont représentées : synthèse de nouveaux composés, études de leurs propriétés microscopique et macroscopiques dans des conditions de mesures extrêmes (température, pression, champs magnétiques, neutrons, rayons X…). Les domaines concernés vont du magnétisme à très basses températures, aux supraconducteurs à haute températures critiques, en passant par les systèmes de basse dimension, les métaux à fortes corrélations électroniques... Cette recherche en amont s’attaque à dégager de nouveaux concepts pour la compréhension de systèmes de plus en plus complexes qui présentent de ce fait des propriétés radicalement nouvelles. Une des caractéristiques de cette recherche est que les idées ou problèmes posés par les nouveaux matériaux découverts motivent des développements instrumentaux bien ciblés, et non l’inverse. Les recherches mêmes les plus fondamentales ont toujours eu des liens avec l’environnement industriel et économique de la région et elles trouvent presque toujours un domaine d’application beaucoup plus large que celui qui l’a motivé. Ainsi l'imagerie magnétique par micro-SQUID fait l'objet d'un soutien de la DGA, qui considère cette technologie comme potentiellement stratégique. Le développement de matériaux ultra-purs pour l'étude des systèmes à fortes corrélations électroniques, nous a conduit à développer les technologies de four à image en partenariat avec une PME locale (Cyberstar, qui les commercialise désormais). Les mesures aux plus basses températures ont poussé au développement d’une électronique adaptée, commercialisée par Air-Liquide … Les projets actuels, et qui évolueront naturellement au grès des thématiques du cluster, touchent aux techniques de spectroscopie thermique dans les supraconducteurs, l’imagerie optique pour l’étude des courants critiques dans les hauts-Tc, les mesures thermodynamiques et de transport sous haute pression et/ou sous très forts champ magnétiques, les mesures thermodynamiques (chaleur spécifique, aimantation…) de micro-cristaux, l’étude des vortex par imagerie à SQUID… b) Caractérisation structurale de « Matériaux Fonctionnels du Monde Réel » par les méthodes innovantes utilisant les Très Grands Equipements: Jean Louis Hodeau, Laboratoire de Cristallographie CNRS, Grenoble Les applications et la durabilité des matériaux utilisés couramment mettent généralement en jeu (i) soit des matériaux complexes en eux-mêmes (structure compliquée ou mise en forme délicate), (ii) soit des mélanges de différentes phases qui sont difficilement maîtrisables. Leurs propriétés, le coût et surtout les procédés de leur élaboration font que leur non perfection est une caractéristique propre que nous devons prendre en compte. Les procédés d’analyses (et de compréhension) de ces matériaux doivent donc permettre d’étudier cet état compatible avec l’utilisation dans notre monde réel. Pour leur caractérisation structurale nous devons donc étendre des méthodes développées généralement sur des matériaux simples pour les rendre utilisables sur des matériaux dits « sales » mais néanmoins fort utiles. Nous devons donc utiliser et développer des sondes d’analyses structurales qui permettent
Notre équipe, impliquée sur les lignes française à l’ESRF et à l’ILL (Cooperative Reseach Group beamlines) , développe de telles méthodes et les applique à beaucoup de systèmes complexes. Nous avons plusieurs projets avec des industriels (ARKEMA, Institut Français du Pétrole, ALCAN, ….) qui montrent la pertinence de telles analyses pointues sur des « Matériaux fonctionnels du monde réel ». Personnes impliquées dans le projet :
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