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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