Le laboratoire PMC : réunir chimistes et physiciens

Une pre­mière carac­té­ris­tique sou­vent asso­ciée à l’échelle nano­mé­trique est l’émergence de com­por­te­ments quantiques.

La taille carac­té­ris­tique à laquelle ces effets appa­raissent dépend des maté­riaux consi­dé­rés, mais il est appa­ru depuis pra­ti­que­ment trente ans que les carac­té­ris­tiques de l’émission lumi­neuse de col­loïdes de taille suf­fi­sam­ment petite dépen­daient de la taille des billes de maté­riaux consti­tuant le col­loïde (le plus sou­vent des semi-conduc­teurs binaires comme, par exemple, cer­tains sul­fures ou séléniures).

Cet effet a moti­vé un grand nombre de tra­vaux, tant pour étu­dier le phé­no­mène au plan fon­da­men­tal que pour en tirer par­ti dans diverses applications.

Une stratégie originale

Au labo­ra­toire, nous avons adop­té une stra­té­gie un peu dif­fé­rente. Le groupe de chi­mie du solide s’est spé­cia­li­sé dans la syn­thèse de nano­par­ti­cules d’oxydes dopées par des ions terres rares.

Ces maté­riaux sont connus pour émettre la lumière avec un très bon ren­de­ment ; les ions terres rares émettent une lumière avec une lon­gueur d’onde très bien défi­nie, contrai­re­ment aux maté­riaux habi­tuels. Les nano­par­ti­cules sont obte­nues par des pro­cé­dés à basse tem­pé­ra­ture en solution.

Dans ce domaine, le groupe « chi­mie du solide » a effec­tué une per­cée remar­quée en ima­gi­nant un pro­cé­dé par­ti­cu­lier pour amé­lio­rer la cris­tal­li­ni­té des nano­par­ti­cules et atteindre ain­si de hauts ren­de­ments d’émission lumi­neuse. Cette amé­lio­ra­tion exige de por­ter les nano­par­ti­cules à haute tem­pé­ra­ture, ce qui habi­tuel­le­ment pro­voque leur agglo­mé­ra­tion (ce qu’on appelle le « frit­tage » dans le domaine des céramiques).

“ La taille à laquelle les effets quantiques apparaissent dépend des matériaux ”

Pour rendre pos­sibles de tels trai­te­ments ther­miques en conser­vant l’intégrité des nano­par­ti­cules, les cher­cheurs du labo­ra­toire ont ima­gi­né de les immo­bi­li­ser dans une matrice réfrac­taire solu­bi­li­sable. Cette matrice per­met de main­te­nir les nano­par­ti­cules sépa­rées les unes des autres durant le trai­te­ment ther­mique, et peut ensuite être dis­soute chi­mi­que­ment pour réob­te­nir des nano­par­ti­cules libres ou dis­per­sées en solution.

Stockage d’information à haute densité

Une autre ver­tu des struc­tures de taille nano­mé­trique est leur capa­ci­té poten­tielle pour sto­cker de l’information avec une très haute densité.

Image par micro­sco­pie à effet tun­nel en milieu élec­tro­chi­mique d’une couche mono­ato­mique de nickel recou­vrant à 70 % une sur­face d’or. La lar­geur de l’image est d’environ 80 nm.

Dans cette pers­pec­tive, cer­tains cher­cheurs du labo­ra­toire tra­vaillent à com­prendre les phé­no­mènes phy­siques limi­tant l’accès aux échelles ultimes, pour pou­voir les dépasser.

Un aspect sou­vent mécon­nu de la course à la très haute den­si­té de sto­ckage de l’information est qu’il ne suf­fit pas d’être capable de défi­nir un bit de sto­ckage de très petite taille, mais il faut l’inclure dans une archi­tec­ture au milieu d’un très grand nombre de bits sem­blables et être capable de chan­ger ou de lire son état en dis­si­pant le moins d’énergie possible.

Dans les disques durs clas­siques, l’enregistrement est magné­tique et lec­ture et écri­ture se font par l’intermédiaire d’une tête qui se déplace très près de la sur­face du disque. Les cher­cheurs tentent actuel­le­ment d’imaginer des struc­tures magné­tiques per­met­tant de s’affranchir de ces têtes de lecture/écriture. La lec­ture ne pose pas de pro­blème trop sévère si l’on s’appuie sur le phé­no­mène de magné­to­ré­sis­tance géante déjà exploi­té dans les têtes de lec­ture actuelles.

Maîtriser l’écriture

L’écriture sou­lève des défis beau­coup plus dif­fi­ciles. Pour y arri­ver, les cher­cheurs essaient actuel­le­ment de pilo­ter élec­tri­que­ment l’état de couches magné­tiques très fines (de l’ordre d’un nano­mètre) qui sont au cœur des struc­tures pré­sen­tant le phé­no­mène de magné­to­ré­sis­tance géante.

“ Des structures magnétiques permettant de s’affranchir des têtes de lecture/écriture ”

Cela se révèle très dif­fi­cile actuel­le­ment dans les dis­po­si­tifs solides que l’on sait fabri­quer. Au sein du groupe « Élec­tro­chi­mie et couches minces » du labo­ra­toire, les cher­cheurs ont appris à fabri­quer et étu­dier par des tech­niques élec­tro­chi­miques des couches magné­tiques ultra­fines pré­sen­tant les carac­té­ris­tiques adé­quates pour être uti­li­sées dans les struc­tures pré­sen­tant une magné­to­ré­sis­tance géante.

Il n’est évi­dem­ment pas envi­sa­gé d’utiliser le milieu élec­tro­chi­mique pour faire fonc­tion­ner des dis­po­si­tifs de sto­ckage de l’information.

Néan­moins, cet envi­ron­ne­ment pos­sède de nom­breux avan­tages par rap­port aux struc­tures solides pour sou­mettre les struc­tures à des sol­li­ci­ta­tions élec­triques variées et étu­dier ain­si la pos­si­bi­li­té et les limites du pilo­tage de l’aimantation d’une couche magné­tique ultra­mince par un cou­rant ou un poten­tiel électrique.

C’est l’un des axes actuels de tra­vail des cher­cheurs du laboratoire.

Plus de lumière avec moins d’énergie

Pho­to­gra­phie d’une diode élec­tro­lu­mi­nes­cente en nitrure de gal­lium émet­tant de la lumière dans un dis­po­si­tif sous ultra­vide au labo­ra­toire PMC carac­té­ri­sant l’origine des pertes de rendement.

Des enjeux de pre­mière impor­tance en termes d’économies d’énergie sont asso­ciés aux dis­po­si­tifs émet­teurs de lumière et à leur uti­li­sa­tion dans le domaine de l’éclairage. Il est donc essen­tiel à la fois de com­prendre les limi­ta­tions des dis­po­si­tifs actuels, et de les dépasser.

Ces limi­ta­tions peuvent être pré­sentes à la fois dans les par­ties actives du maté­riau (asso­ciées aux pro­ces­sus inter­ve­nant dans l’émission de la lumière) ou dans les par­ties pas­sives (les pro­ces­sus per­met­tant à la lumière de sor­tir du maté­riau pour l’utilisation).

Le récent prix Nobel de phy­sique a mis en valeur de tels enjeux en dis­tin­guant les tra­vaux de cher­cheurs ayant per­mis des avan­cées déci­sives dans le domaine des maté­riaux actifs, en par­ti­cu­lier pour les maté­riaux à base de nitrure de gal­lium. Les dis­po­si­tifs à l’état de l’art uti­li­sant ces maté­riaux souffrent néan­moins encore de cer­taines limi­ta­tions, dont la plus gênante est la baisse d’efficacité de l’émission lumi­neuse lorsque les dis­po­si­tifs deviennent trop brillants.

En col­la­bo­ra­tion avec les meilleures équipes au plan inter­na­tio­nal de l’université de Cali­for­nie à San­ta Bar­ba­ra, des cher­cheurs du groupe « Élec­trons-Pho­tons-Sur­faces » du labo­ra­toire ont récem­ment iden­ti­fié sans ambi­guï­té la cause de cette perte d’efficacité. Les tra­vaux se pour­suivent actuel­le­ment pour ima­gi­ner com­ment contour­ner cette limitation.

Les atouts de l’interdisciplinarité

Les concepts et les réa­li­sa­tions dans le domaine des nanos­ciences inté­ressent un grand nombre d’enjeux. L’exploration de ces ques­tions mobi­lise une grande par­tie des équipes du labo­ra­toire PMC.

La nature inter­dis­ci­pli­naire du labo­ra­toire, à la fron­tière entre phy­sique et chi­mie, repré­sente un véri­table atout pour appor­ter des contri­bu­tions ori­gi­nales dans les domaines abordés.

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