Nanomatériaux

Cet axe thématique a pour but l'étude et le développement de nanomatériaux en vue d'applications optiques. Nous nous intéressons d'une part aux agrégats de ZnO et d'autre part à l'organisation de matériaux carbonés en surface.

Agrégats de ZnO.

L’oxyde de zinc à l’état massif est un matériau connu et utilisé depuis très longtemps. Du fait de sa très bonne absorption des UV et de sa stabilité, la composition des crèmes solaires et cosmétiques indique généralement sa présence. On peut ainsi penser à son utilisation dans la synthèse catalytique du méthane. D’un intérêt industriel certain, il est donc actuellement produit à l’état massif à hauteur de 100000 tonnes par an. L’utilisation de ZnO dans les nanotechnologies est quant à elle plutôt récente. ZnO est en effet un semi conducteur à large gap (3.4 eV à température ambiante) avec une forte énergie de liaison excitonique (60 meV) ce qui en fait théoriquement un excellent émetteur UV à température ambiante. Les applications visées sont donc la fabrication de diodes lasers UV, les cellules photovoltaïques ou encore la fabrication de traceurs biologiques pour des applications médicales.

Profitant des installations du PLYRA (mettre lien), notre équipe synthétise sous haut vide grâce à la technique LECBD (Low Energy Cluster Beam Deposition) des nanoparticules de ZnO, de stœchiométrie et de haute cristallinité contrôlée. Le co-dépôt, par le biais d’un canon à électron, est aussi une possibilité offerte par cette plateforme pour pouvoir enrober efficacement les nanoparticules de ZnO dans une matrice adéquate. Le PLYRA nous permet aussi de les caractériser par des techniques in-situ (STM, Raman, XPS, UPS, cathodoluminescence, photoluminescence). D’autres plateformes de l’ILM (telle que PNL, NANOPTEC, CECOMO)  (mettre liens) et de multiples collaborations (INL à Lyon, collab Paris, Institut Néel à Grenoble) apportent d’autres outils tels que la microscopie électronique ou la spectroscopie confocale.

Bien que la littérature soit nombreuse sur ZnO, aucune étude ne concerne la spectroscopie de la particule unique. Des phénomènes aussi importants que l’éventuel clignotement ou extinction, ne sont pas connus, ce qui justifie in fine la synthèse et l’étude optique de l’émission d’un nano émetteur unique de ZnO. La surface des nanoparticules, avec ses nombreux défauts tels que les liaisons pendantes jouent bien entendu un rôle crucial et une passivation adéquate de ces défauts par un enrobage en matrice peut permettre une amélioration de la luminescence.

La LEBCD est une technique avec un autre avantage puisqu’elle permet de synthétiser tout aussi bien des particules isolées ou des films minces nanostructurés, ce qui ouvre la voie à l’étude du collage orienté. Ce mécanisme s’avère ainsi important aussi bien dans les phénomènes naturels comme la formation des dents des oursins de mer que pour la synthèse de films nanostructurés. Il permet ainsi à plusieurs petites nanoparticules de coalescer pour former un unique agrégat bien cristallisé. Ce phénomène a ainsi été remarqué pour d’autres matériaux comme TiO₂, ZnS, PbS, PbSe, le YAG ou la phase alpha de Fe₂O₃. Cette étude s’avère donc intéressante pour comprendre l‘évolution des propriétés physiques de la particule unique au massif et pour maîtriser la synthèse de cristaux homogènes de très bonne qualité cristallographique dans une approche « bottom-up ».

Finalement, notre équipe étudie un dernier aspect de ZnO, celui du dopage. Afin d’envisager une future intégration de ZnO, dans des dispositifs optoélectroniques telles que les diodes laser UV, l’étude des propriétés électroniques compte tout autant que les propriétés optiques. Cependant, le dopage de type p par substitution reste un verrou technologique pour ZnO. Nous nous sommes donc concentrés à l’aide de calculs ab initio en DFT sur la possibilité d’un autre type de dopage bien connu dans les clathrates de silicium, à savoir le dopage endohédral.  Celui-ci peut d’ailleurs induire par ailleurs des propriétés très intéressantes comme la supraconductivité.

Matériaux Carbonés de type graphène

Les propriétés de photoluminescence de nanostructures carbonées suscite un grand intérêt pour la réalisation de dispositifs opto-électroniques en raison de la combinaison unique de leurs propriétés chimiques intrinsèques et électroniques.

Nos recherches portent sur le graphène ou encore les carbures.

Le graphène sur SiC permet des mesures de transport et est compatible "microélectronique". Il est possible d'ouvrir le gap du graphène et de contrôler sa conductivité en modifiant localement la surface.

Le graphène, de part ses propriétés inusuelles, est un matériau prometteur pour de nombreuses applications optiques et électroniques. Nos recherches visent à modifier, à l'échelle nanométrique, ce matériau afin de contrôler ses propriétés électroniques qui influencerons directement les propriétés optiques telles que l'absorption ou la luminescence.Les conséquences de la modification de la structure électronique du graphène résident dans la réalisation de jonction métal-semiconducteur-métal ou toutes autres combinaisons propices à l'élaboration de nanodispositifs opto-électroniques. Dans ce contexte, nous réalisons des réseaux de "nanodots" dans du graphène ou des défuats conducteurs dans une surface isolante.

Figure. Images AFM d'un réseau de "nanodots" obtenu par FIB.

 Collaborations: (LPN)