Andrea Piarristeguy

Chalcogénures et Ionique du Solide

     Au cours des dernières années une partie du travail dans le domaine de l’Ionique du Solide a concerné l’étude de verres chalcogénures conducteurs par Ag+ utilisés dans le développement de mémoires électriques de type CB-RAM. L’objectif principal a été d’étudier la conséquence de séparations de phase sur les propriétés électriques des verres. L’utilisation de microscopie a force électrostatique (EFM) a permis de caractériser les phénomènes de percolation responsables de saut de conductivité de plusieurs ordres de grandeur dans les matériaux étudiés. Plus généralement, l’utilisation de la microscopie a champ électrique (EFM, C-AFM, PF-QNM) a permis de caractériser l’échelle locale chacune des phases présentes dans le verre.

     Plus récemment, nous nous sommes intéressés au développement de batteries tout-solide pour le stockage électrochimique de l’énergie. Cette problématique est d’une grande actualité. En effet, la nécessité de promouvoir un futur où seront valorisées les énergies renouvelables exemptes de rejets de CO₂, impose de développer de nouveaux systèmes de stockage électrochimique de l’énergie, que ce soit pour la propulsion électrique ou pour le stockage de l’énergie produite par les sources intermittentes (éoliennes, cellules photovoltaïques ou sources thermiques d’énergie solaire). Le succès des batteries au lithium est indéniable, mais elles présentent deux limitations : elles sont basées sur l’utilisation i) d’électrolytes liquides inflammables et ii) du lithium, un matériau relativement cher et dont les réserves naturelles en Europe et aux USA sont relativement faibles. Dans certains cas (stockage stationnaire par exemple), il peut être intéressant de développer des solutions alternatives. Par exemple, on peut i) remplacer le lithium par le sodium et ii) développer des batteries « tout-solide ».

     Le développement des batteries tout-solide se heurte à la difficulté d’obtention d’interfaces électrode/électrolyte robustes qui ne se détériorent pas trop rapidement au cours des cycles charge/décharge. Pour tenter de limiter ce problème, on peut proposer le développement de batteries tout-solide comportant des verres ou vitrocéramiques à la fois comme matériau électrolyte et matériaux d’électrode. Ces matériaux peuvent absorber des changements de composition sans changement de volume important. De plus on peut envisager l’utilisation d’un même formateur de réseau pour les électrodes et l’électrolyte ce qui peut favoriser une meilleure délocalisation des interfaces et l’obtention d’un objet monolithe parfaitement compacté. Le deuxième problème qui freine le développement des dispositifs tout solide est la faible conductivité des électrolytes solides en général. Parmi les électrolytes solides prometteurs, les verres et vitrocéramiques chalcogénures occupent une place privilégiée. D’une façon générale leur conductivité est nettement supérieure à celle de leurs homologues oxydes. Des recherches ont montré que la recristallisation partielle des verres avec précipitation de cristallites de composition bien contrôlée pouvait être un moyen d’atteindre des conductivités ioniques de 10^-3 Scm^-1 à température ambiante, valeur très voisine de celles des électrolytes liquides.

     Tout d’abord, nous nous intéressons d’identifier de nouveaux électrolytes, les plus riches possible en sodium, y compris des phases métastables. Les matériaux les plus prometteurs seront utilisé par la fabrication d’une batterie « tout solide » composée d’une structure monolithe avec les électrodes.

Chalcogénures pour le Stockage de l’Information

     Intrinsèquement métastables, les verres tellurures subissent un changement de phases amorphe/cristallisée, rapide et réversible lorsqu’ils sont soumis à l’action d’un pulse laser ou d’un pulse électrique. L’utilisation de cet effet a été à l’origine de l’immense marché des disques optiques réinscriptibles (DVDs-digital versatile disks) au début des années 2000. Désormais, ces matériaux suscitent un très grand intérêt, moins pour le stockage optique que pour le stockage électrique de l’information.  Ces matériaux sont en effet utilisés pour la réalisation de mémoires électriques. L’amélioration des performances de ces dispositifs passe par la levée d’un certain nombre de verrous technologiques, en particulier celui de leur stabilité thermique et de leur vieillissement. Pour cela, une meilleure connaissance de la structure des matériaux dans leurs formes cristalline et amorphe est indispensable. C’est là que se situent nos activités sur les chalcogénures pour le stockage de l’information, activités qui ont débuté il y a une dizaine d’années. Elles s’appuient sur notre capacité à produire des chalcogénures vitreux/amorphes par diverses voies (hypertrempe, co-évaporation thermique …). Nous sommes ainsi capables de produire des matériaux très difficiles à obtenir sous forme amorphe et ce, en quantités suffisantes pour pouvoir les étudier entre autres, par diffraction neutronique. L’utilisation couplée de la diffraction neutronique et de la simulation numérique (ab initio, FPMD, Reverse Monte Carlo), réalisée en collaboration avec des collègues physiciens (M. Micoulaut (Sorbonne Université, Paris), P. Jovari (Wigner Research Centre for Physics, Budapest Hongrie), A. Bouzid (IRCER, Limoges)) nous permet d’accéder à des informations cruciales sur la structure des matériaux à changement de phase (mise en évidence des liaisons homopolaires, environnement du Ge).

Collaborations actuelles

– Laboratoire de Physique Théorique des Liquides de la Matière Condensée (LPTMC) – Sorbonne Université, Paris : M. Micoulaut.

– Institut Laue Langevin (ILL), Grenoble : G.J. Cuello, V. Nassif, V. Cristiglio.

– Centrale de Technologie en Micro et nanoélectronique (CTM), Université de Montpellier, Montpellier: M. Ramonda.

– Sciences des Procédés Céramique et de Traitement de Surface (SPCTS), Limoges : G. Delaizir, A. Bouzid, O. Masson

– Laboratoire Charles Coulomb, Université de Montpellier, Montpellier : R. Le Parc.

– Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS), Amiens : V. Viallet, V. Seznec.

– Institut Lumière Matière (ILM), Lyon: B. Ruta

– Physikalische Institut, RWTH Aachen University, Aachen, Allemagne: M. Wuttig, J. Luckas.

– Wigner Research Centre for Physics, Institute for Solid State Physics, Budapest, Hongrie: P. Jóvári.

Contrats depuis 2011 :

• Projet MITI CNRS 2021 Instrumentation in situ en conditions extrêmes : Polyglass « A dynamical view at polyamorphism in glasses » (porteur de projet B. Ruta, ILM)
• Projet MITI CNRS 2020 Instrumentation in situ en conditions extrêmes : Polyglass « A dynamical view at polyamorphism in glasses » (porteur de projet B. Ruta, ILM)
• Projet SATT AxLR pré-maturation « Electrolytes et batterie tout solide au sodium » (porteur de projet : A. Piarristeguy). (2019-2021)
• Projet Structurant de l’Université de Montpellier « Soutien à la recherche 2020 » : « Elaboration de matériaux innovants par pressage spark plasma sintering » (Porteur de projet : A. Piarristeguy)
• Projet ANR Progelec VTG : « Verres et vitrocéramiques de chalcogénures en tant que matériaux thermoélectriques pour des applications autour de l’ambiante » (Porteur de projet : B. Lenoir). (2011-2016)
• Projet ANR blanc TEAM : « Nouvelles fonctionalités des matériaux amorphes à base de tellure » (Porteur de projet : M. Micoulaut). (2012-2015)
• Collaborations bilatérales France-Allemagne (programme Procope DAAD-MAEE) : “Thermal stability and rigidity in amorphous phase change materials “ (Porteur du projet : V. Coulet) (2012)