Cristaux et Nanostructures Multidimensionnels à Fonctionnalité Multiple

 

Notre activité concerne la chimie des composés oxydes et intermétalliques et se situe aux interfaces entre la chimie du solide, la physico-chimie des matériaux, les solides divisés, la chimie des solutions et la théorie. L’élaboration et l’étude des structures et des propriétés des matériaux seront développées en se basant sur des relations théorie-expérience. En particulier, la dimensionnalité des structures et l’utilisation du confinement seront adaptées pour optimiser leurs propriétés physiques. Des études structurales et spectroscopiques multi-échelles in situ en fonction de la pression et/ou de la température seront effectuées au laboratoire et sur les grands instruments (synchrotrons, sources neutroniques). Cette approche nous donne un accès direct aux phénomènes dynamiques régissant, entre autre, les propriétés de confinement des matériaux étudiés. Par ailleurs, une vision globale de leur comportement sera obtenue grâce aux calculs théoriques.
 
Les membres de l’équipe possèdent des compétences reconnus au niveau international en synthèse de matériaux inorganiques de type oxyde et intermétallique, en cristallogenèse par voie hydrothermale et méthode Bridgman, mécano-synthèse, croissance de films minces par pulvérisation cathodique,  cristallographie in situ en pression et en température, techniques hautes pression, en caractérisations structurales et physiques multi-échelles et en calculs théoriques. Le groupe possède plusieurs originalités dont :
 
  • l’utilisation du paramètre pression de 1 MPa en autoclave et jusqu’à 50 GPa en cellule à enclumes de diamants pour l’élaboration et l’étude in-situ des matériaux fonctionnels. La maîtrise des différentes conditions de pression et température permet de cristalliser de nouveaux matériaux à différentes échelles et de développer des traitements chimiques pour le développement durable
  • l’utilisation de techniques de synthèse permettant l’élaboration de matériaux métastables dans des conditions hors équilibre thermodynamique. Le développement de techniques expérimentales et théoriques propres à l’étude des propriétés thermiques de matériaux multidimensionnels.
Les matériaux développés par l’équipe entreront dans une large gamme d’applications dans les domaines de l’énergie (électriques, optiques, piézoélectriques, thermoélectriques, thermiques, photoniques, magnétiques, conducteurs ioniques...) et du développement durable (valorisation de silicates industriels, récupération des pertes énergétiques, éclairage basse consommation…).
 
 

Organigramme

 

Activités de recherche

 
 

Relations théorie-modélisation-expérimentation 

 
L'objectif de cet axe est de développer des modèles théoriques et des programmes de calculs   afin de permettre d'une part une meilleure compréhension des propriétés physico-chimiques des matériaux étudiés au sein de l’équipe, et d'autre part, de prédire de nouvelles structures optimisées pour l’électronique en complète synergie avec les chercheurs de l’équipe chargés de leurs élaborations. Dans ce contexte, nous utilisons des méthodes dites ab initio jusqu’aux approches plus légères mais paramétrées du type liaisons fortes ou de dynamique moléculaire.
Notre savoir-faire est vaste et s'étend des fonctions de réponses vibrationnelles (IR, Raman, INS) et thermoélectriques aux fonctions de réponses non-linéaires (Pockels, SHG, effet Kerr) en passant les couplages électro-mécaniques et magnéto-électriques.
 
 
Stabilité et barrières de diffusion 
 
En s’appuyant sur les calculs DFT nous nous intéressons à la stabilité des matériaux sous différentes conditions : atmosphère, pression, température. Cette activité nous permet aussi de sélectionner de nouveaux matériaux éventuellement métastables. Dans ce cas, des techniques permettant d’atteindre des conditions hors équilibre comme la mécano-synthèse, la synthèse sous Hautes Pressions–Hautes Températures, ou le dépôt de couches minces par pulvérisation cathodique sont utilisées.

Nous nous intéressons aussi aux aspects liés à la stabilité aux interfaces et aux mécanismes de diffusion par l’étude de barrières de diffusion sous forme de couches minces. Ces aspects sont particulièrement importants pour des applications en température engendrant des phénomènes d’oxydation ou d’interdiffusion des matériaux.

 

 
Monocristaux à fonctionnalités multiples par voie hydro-solvo thermal et par méthode Bridgman 
 
Les monocristaux isotypes du quartz de type AO2 (A=Si, Ge) et ABO4 (A= Al, Ga et B= P, As) sont les matériaux historiques de cette activité. D’autres types d’oxydes (oxydes de métaux de transition) seront également abordés. La croissance de ces cristaux nécessite l’utilisation d’autoclaves selon diverses conditions hydrothermales (150°C<T<500°C et 1MPa<P<300MPa), figure a.
 

La méthode Bridgman est utilisée pour la synthèse de monocristaux de la famille des intermétalliques ou bien des oxydes sur une plage de température étendue (1600°C et potentiellement 2000°C). Les conditions de synthèse sont adaptées en fonction de la famille des matériaux en contrôlant l’atmosphère (Ar, O2) pour la synthèse de monocristaux de taille centimétrique, figure b.

 

 

Matériaux FerrOïques f(P,T,E,B)
 
 
Cette activité s’inscrit dans l’étude in-situ des relations structures-propriétés de matériaux ferroïques à l’échelle micro-méso-macro-scopique en fonction de la Pression, de la Température, du champ Electrique et du champ Magnétique. Nous étudions l’impact de modifications structurales sur les propriétés des matériaux que ce soit par substitution chimique, création de défauts ou application de perturbations extérieures telles que la pression ou le champ magnétique.
 
D’une manière générale, nous nous intéressons aux matériaux oxydes ou intermétalliques avec d’importants couplages multiferroïques. Nous étudierons ici essentiellement des composés basés sur les oxydes et intermétalliques de métaux de transition et plus particulièrement sur les oxydes de fer donnant accès à une large gamme de propriétés physiques, Figure 2. En outre, une nouvelle chimie des oxydes de Fer sous pression sera développée afin d’élaborer de nouveaux matériaux.
 
 
Propriétés thermiques et Matériaux à structures complexes
 
Les principales familles de matériaux semi-conducteurs ou métalliques étudiées possèdent des structures de type cage, incommensurables ou de faible symétrie, Figure 3. Différentes voies de synthèse sont et seront abordées en fonction de la stabilité des matériaux étudiés : mécano synthèse, voie hydrothermale, synthèses sous Hautes Pressions – Hautes Températures.
 
 
 
Nous nous intéressons à la dynamique des réseaux des matériaux à structure de type cage. D’une part, les mécanismes régissant les propriétés thermiques sont étudiés en combinant calcul DFT, spectroscopie et mesures macroscopiques des propriétés thermiques. Un des objectifs est de comprendre sous quelles conditions les vibrations des atomes intercalés deviennent fortement anharmoniques et quel en est l’impact sur leurs propriétés physiques. Nous développons aussi des techniques de mesures et des dispositifs expérimentaux pour la caractérisation de la conductivité thermique et de la chaleur spécifique adaptées à différentes géométries, Figure 4 : massifs, films minces, nanofils ainsi qu’à différentes conditions : température, pression.
 
 
 
 
Nanomatériaux et nanocomposites 
 
Nous nous intéressons aux matériaux intermétalliques et oxydes dont la faible dimensionnalité affecte les propriétés de transport électronique, thermiques, mécaniques et/ou photoniques. Différentes dimensions seront abordées :
 
  • En partant de notre savoir-faire dans les domaines de la synthèse sol-gel suivie d’un traitement hydrothermal des matériaux de type SiO2 et AlPO4 et des techniques hautes pressions, le but est d’élaborer de nouveaux matériaux nanocomposites zéolithe/polymère. Les monomères sont insérés puis polymérisés sous pression dans les pores des zéolithes ce qui permet de descendre à l’échelle sous-nanométrique avec des chaînes isolées de polymères inorganiques ou organiques fortement confinées présentant des propriétés électroniques, mécaniques et/ou optiques originales. Une approche similaire sera utilisée pour élaborer des nanocomposites zéolithe/nanofil en insérant des atomes métalliques sous pression, Figure 5.
  •  

  • Notre champ d’investigation s’étend à l’étude de composés intermétalliques et oxydes sous plusieurs formes : nanopoudres, nanofils, films minces. D’une part, il s’agira d’étudier l’effet de la dimensionnalité sur les propriétés, électronique, thermique et photonique. Les basses dimensionnalités permettent, entre autre, de diminuer la conductivité thermique des matériaux étudiés sans dégrader les propriétés électroniques. L’obtention d’une taille critique nécessaire au confinement électronique permettrait, dans le cadre d’applications thermoélectrique, d’augmenter le coefficient de Seebeck. Dans le cadre d’application photovoltaïque, la diminution de la dimensionnalité permettrait de collecter une quantité d’énergie lumineuse supérieure à une cellule photovoltaïque conventionnelle. Les nano-objets ainsi obtenus sont ensuite introduits, après fonctionnalisation, dans une matrice organique de façon à bénéficier à la fois des propriétés remarquables des nano-objets et de la facilité de mise en forme du polymère.
 
 
 
 
Développement durable 
 
Plusieurs aspects sont abordés :
 
  • Au regard des problématiques de plus en plus préoccupantes concernant le développement durable et la protection de l’environnement, il est nécessaire de développer des procédés de destruction des déchets industriels et si possible de les valoriser. L’utilisation de conditions hydrothermales pour détruire les déchets cimentaires industriels et leur transformation vers d’autres matériaux est une voie moins gourmande en énergie. Les premiers essais en régime sub-critique sont prometteurs. Le but est donc de définir un procédé de destruction le plus « vert » possible et de valoriser les produits du traitement soit en isolant chacun des éléments chimiques soit en synthétisant un autre matériau.
  • Les clathrates possèdent des structures de type cage qui sont potentiellement intéressantes pour des applications liées à la séquestration d’éléments polluants. La géométrie et la dimension des cages détermineront quels types d’atomes peuvent être intercalés. Un des objectifs de cette étude serait ici de comprendre les mécanismes de diffusion intra et inter-cage de façon à optimiser la séquestration des éléments considérés.
 
 
 
 
 
  • AIME, AM2N, CMOS, IMNO, MACS
  • IEM, L2C, IES, Géosciences Montpellier
  • CRISMAT, CRISTAL INNOV, FEMTO, ICMCB, ICN, ILM, SIMaP, ICMMO, ICMPE, LNCMI, ILL
  • CNR (Italie), INCEMC (Roumanie), Univ. Meknès, Univ. Turin, DQMP (Genève), EPFL (Lausanne)
  • C-THERM
  • ANR COFeIn 2013-2016
  • ANR MASCOTH 2014-2017
  • Thèse LABEX CheMISyst + accompagnement 2013-2016
  • PICS CNR/CNRS 2013-2016
  • Sous-traitant projet ANR ASTRID ECLATEMPS 2013-2016
  • Thèse Nîmes Métropole (collaboration SOMEZ – ICN)  2015-2018
  • Projet industriel (St Gobain – CREE): purification du SiC par traitement hydrothermal
  • Order and disorder in zeolites across different length scales du LABEX CheMISyst 2016-2019
  • PRIN (PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE) ZAPPING (High-pressure nano-confinement in Zeolites: the mineral science know-how APPlied to engineerING of innovative materials for technological and environmental applications) 2017-2019
  • IONANO «  Inorganique Organique NANO-composite pour applications thermoélectriques » co-financement Labex CheMISyst - Université de Montpellier
  • 6 ANR, 1 INSU et 2 projets H2020 FET en cours d’expertise

Institut Charles Gerhardt Montpellier - Direction

UMR 5253 - CNRS/UM/ENSCM
  • Université de Montpellier
  • Place Eugène Bataillon
  • CC 1700 - Bâtiment 17 -1er étage
  • Tel: +33 (0)4 67 14 93 50
  • Email: direction@icgm.fr
Top