Archive dans octobre 2019

Nanomatériaux innovants en environnement réel pour des applications en nano-électronique

Les nanotubes (NTs) de carbone peuvent être synthétisés à moyenne température (T~700°C) en décomposant un gaz carboné à la surface de nanocatalyseur métallique (Fe, Co ou Ni). Malgré des progrès significatifs depuis 25 ans, le contrôle précis de leur structure pendant la synthèse demeure un défi de taille pour des applications en nano-électronique. Depuis quelques années, l’utilisation de catalyseurs bimétalliques (CoW, Mo2C, …) semble être la voie la plus prometteuse puisque des sélectivités assez spectaculaires vis-à-vis de la chiralité des NTs ont été constatées sans qu’elles soient parfaitement comprises. Parmi les hypothèses avancées, il a été proposé que la présence d’un élément d’alliage ayant un haut point de fusion tend à maintenir solide la particule pendant la synthèse. Dans de telles conditions, la structure du catalyseur présente des facettes permettant le contrôle direct de la structure des tubes par épitaxie. Bien qu’elle soit élégante, cette interprétation est sujette à de nombreuses controverses puisqu’aucune étude expérimentale précise ne permet de déterminer l’état du catalyseur pendant la synthèse.

L’objectif de ce stage est donc de se focaliser sur la synthèse de nanoparticules (NPs) dans un état structural parfaitement défini et maitrisé dans le but de parvenir à une véritable ingénierie de fabrication de NTs à structure contrôlée. Pour cela, nous nous focaliserons sur l’étude structurale en température de NPs AgPt où le Pt, possédant un haut point de fusion, sera l’élément clé pour maintenir la particule à l’état solide. Il s’agira dans un premier temps d’optimiser les conditions de synthèse par voie physique (ablation laser pulsé) pour fabriquer des NPs AgPt de structures contrôlées (taille, morphologie et composition). Par la suite, l’évolution structurale à haute températuredes NPs sera effectuée grâce au développement unique de la microscopie électronique à transmission d’électrons (MET) in-situ en temps réel pour étudier les propriétés structurales des catalyseurs. Plus précisément, l’étude structurale de NPs AgPt (formation d’alliage, séparation de phase, transition ordre/désordre) à différentes températures sera alors possible où différentes techniques de microscopie seront couplées (haute résolution, diffraction, dispersion en énergie des rayons X, …). En collaboration avec le laboratoire MPQ pour la partie expérimentale, l’ensemble des résultats sera comparé à des simulations numériques à l’échelle atomique développées au LEM et au CINaM à Marseille.

Développement d’un code de Monte Carlo dynamique pour les calculs de diffusion atomique

Les processus de diffusion dans les solides sont prépondérants pour la cinétique de nombreux changements microstructuraux se produisant pendant la préparation, le traitement et le traitement thermique des matériaux. Des exemples typiques sont la nucléation de nouvelles phases, les transformations de phase par diffusion, la précipitation d’une seconde phase, la recristallisation, le fluage à haute température et l’oxydation à haute température. Pour atteindre une compréhension profonde de la diffusion dans les solides, il est nécessaire d’avoir des informations sur la position des atomes et sur leur déplacement. Les mécanismes atomiques de diffusion dans les solides cristallins sont étroitement liés aux défauts. Les défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels sont les défauts les plus simples et facilitent souvent la diffusion dans les cristaux. Les méthodes ab initio telles que la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) peuvent fournir des informations fondamentales, telles que les positions stables des atomes dans un réseau cristallin et leurs vitesses de saut entre deux sites voisins. Cependant, il n’est pas anodin d’obtenir des coefficients de diffusion à partir de ces propriétés fondamentales car, dans les cristaux solides complexes, il existe généralement divers défauts ponctuels (lacunes et positions interstitielles) et, par conséquent, plusieurs chemins de diffusion sont possibles pour l’atome diffusant. Les solutions analytiques des problèmes de diffusion multi-états sont généralement complexes. Une bonne alternative est de recourir à la méthode Monte Carlo cinétique (KMC: Kinetic Mote-Carlo), une méthode de Monte Carlo particulière utilisée pour les processus avec des vitesses connues telles que la migration des atomes. Il consiste à cartographier N événements possibles pouvant se produire à partir d’un état donné. Chaque événement est défini par la fréquence de saut, le déplacement et la fonction cumulative de la fréquence de saut: toutes ces paramètres nécessaire à la simulation KMC peuvent être obtenues à partir des calculs DFT.

L’objectif principal de ce projet est de développer un code de Monte Carlo cinétique pour étudier la diffusion des atomes dans les cristaux. Le code recevra en tant que données d’entrée les résultats des calculs DFT, qui seront effectués avec le code VASP. Les premières applications porteront sur la diffusion d’atomes interstitiels (B, O, N, C) dans des alliages Ti-Al. Le code sera validé par comparaison avec la solution analytique des réseaux cristallins les plus simples (comme le composé TiAl tétragonal), puis appliqué à l’étude de la diffusion dans des géométries plus complexes (comme le composé Ti3Al hexagonal).

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique de la matière condensée, crystallographie, development de code

Contacts: Gilles Hug

Propriétés électroniques de couches fines nanostructurées

Le contrôle à l’échelle nanométrique de la composition et de la morphologie des matériaux a permis l’émergence de nouvelles propriétés structurales, électroniques et chimiques, qui sont à la base de nombreux progrès technologiques récents. Parmi les nanostructures, les matériaux 2D forment une classe constituée par des matériaux cristallisant en couches d’épaisseur atomique. Depuis l’envol du graphène dans les années 2000, la famille des matériaux 2D s’est enrichie de nouveaux éléments comme le nitrure de bore hexagonal (hBN) ou le phosphore noir (BP).

En vertu de leur infime épaisseur, les matériaux 2D présentent souvent des propriétés électroniques très différentes de celles de leur homologues massifs. En outre, celles-ci sont fortement influencées par l’interaction avec l’environnement proche, par exemple, par des modifications du support du matériau 2D ou de son épaisseur. Les hétérostructures de van der Waals se basent sur ce principe. Elles sont formées en empilant des couches de différents matériaux 2D, permettant ainsi de combiner plusieurs propriétés dans un même système, et de les moduler de façon contrôlée afin d’atteindre des objectifs technologiques ou de recherche fondamentale.

Dans ce contexte, la famille d’hétérostructures considérée comportera l’empilement de feuilles de hBN et/ou de BP. Pour étudier d’un point de vue théorique ces systèmes, nous allons élaborer une approche mixte, qui combine des développements analytiques et numériques de type liaisons fortes à des simulations ab-initio. Ces dernières seront faites sur des systèmes simples de référence, afin d’établir une base quantitative pour la paramétrisation des modèles liaisons fortes. Ainsi, l’étude de grands systèmes tels que des hétérostructures réalistes deviendra possible. Plus précisément, il s’agira d’étudier l’effet de l’environnement (substrat, empilement…) sur les propriétés électroniques et optiques d’hétérostructures de van der Waals à base de hBN et BP.

Une autre originalité de ce travail consistera à coupler l’étude théorique à différentes techniques expérimentales, grâce notamment à un riche réseau de collaborations.

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Bonne connaissance de la mécanique quantique et de la physique de la matière condensée ainsi qu’un goût prononcé pour la simulation numérique. Les échanges scientifiques seront encouragés. Techniques utilisées : Simulations ab-initio (de principes premiers) et liaisons fortes

Contacts:  Lorenzo Sponza

Propriétés structurales et électroniques de nanomatériaux sous contraintes

À l’échelle nanométrique, les propriétés structurales des matériaux (0D/1D/2D) sont parfois délicates à prédire car elles font intervenir des interactions à longue portée dont on ne peut s’affranchir. De nombreux exemples sont discutés dans la littérature tels que le greffage de molécules sur une feuille de graphène, le couplage inter-plan dans les hétérostructures 2D ou dans les nanotubes de carbone multi-parois, l’adhésion de nanoparticules catalytiques, … Dans ce cadre, nous souhaitons mettre en œuvre une approche multi-échelle en couplant des modélisations à l’échelle atomique (modélisations empiriques, semi-empiriques ou ab initio) avec une approche continue via des calculs d’éléments finis (EF) pour mieux cerner les modifications électroniques induites par des nano-objets sous contraintes.

Le but de ce stage est d’appliquer cette méthodologie à des nanostructures auto-assemblées de silicium qui constituera une première application. Le travail se fera en deux étapes. Il s’agira tout d’abord de caractériser les propriétés structurales des systèmes considérés, grâce au développement de notre démarche multi-échelle impliquant le passage d’une description atomistique vers un cadre de type mécanique des milieux continus pour tenir compte les EF des interactions à longues portées qui pilotent les effets d’auto-organisation. Par la suite, les propriétés électroniques de ces systèmes seront caractérisées en combinant des calculs ab initio et un modèle de type liaisons fortes (méthode d’ordre N) parfaitement adapté pour traiter de larges systèmes (104-105 atomes) où les effets élastiques à longue portée sont dominants.

A noter que cette activité de recherche bénéficiera de la mise en commun de compétences uniques présentes au laboratoire dans le domaine des objets de basse dimension et celui du comportement mécanique des matériaux.

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique du solide, physique des matériaux. Bonne connaissance de la physique de la matière condensée  ainsi qu’un goût prononcé pour la simulation numérique (utilisation de codes, programmation pour le post-traitement des données).

Contacts:  Riccardo Gatti,  Hakim Amara