Le laboratoire PMC : réunir chimistes et physiciens

Dossier : Les nanosciencesMagazine N°702 Février 2015
Par François OZANAM (81)

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.

REPÈRES

Les nanosciences constituent l’un des deux axes fédérateurs principaux décrivant l’activité du Laboratoire de physique de la matière condensée (PMC) de l’École. Comme c’est le cas dans la plupart des thématiques relevant des nanosciences, la possibilité de réaliser des objets ou des systèmes comprenant une ou plusieurs dimensions à l’échelle nanométrique ouvre de nouvelles possibilités en termes de propriétés ou de performances : certaines lois de la physique changent en dessous de longueurs caractéristiques à l’échelle de quelques nanomètres, certaines barrières deviennent perméables en deçà des mêmes limites.

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.

NOUVEAUX TRACEURS BIOLOGIQUES

Les nanoparticules développées par le PMC sont actuellement utilisées pour différentes applications. En particulier, en modifiant la terminaison chimique des nanoparticules, il est possible de les faire se coupler sélectivement à une molécule biologique cible (par exemple une protéine). La faible taille des nanoparticules (quelques nanomètres) est alors un atout permettant d’éviter de marquer l’objet ciblé avec un autre objet beaucoup plus gros que lui.
En collaboration avec le Laboratoire d’optique et biosciences de l’École, ces nanoparticules sont ainsi utilisées comme traceurs dans des expériences de microscopie avancée pour étudier la dynamique d’interaction de toxines avec des membranes cellulaires.

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

Diode électroluminescente en nitrure de gallium
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.

Couche mince émettant de la lumière

MIEUX EXTRAIRE LA LUMIÈRE

Des chercheurs du groupe « Électrons-Photons-Surfaces » ont travaillé depuis plusieurs années pour comprendre comment, en structurant la surface des dispositifs (leur partie « passive »), on pouvait améliorer l’extraction de la lumière du matériau. Il s’agit de contourner une limitation majeure due aux lois de l’optique géométrique qui contraignent la majorité de la lumière émise au coeur du matériau à rester piégée au sein de celui-ci.
En créant des motifs structurés adéquats en surface du matériau, l’interaction entre ces motifs et la lumière permet à cette dernière de s’échapper du matériau. Le groupe « Chimie du solide » du laboratoire a tiré profit de ces travaux en nanostructurant par embossage des couches émettrices qu’il a fabriquées. Ce moyen très peu onéreux se révèle améliorer spectaculairement l’efficacité d’extraction de la lumière.
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Image d’une couche mince émettant de la lumière sur un substrat transparent. La lumière est émise uniformément au sein de la couche, mais n’est extraite efficacement que dans la partie centrale nanostructurée.

 

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