Matériaux, énergie, photonique
Materials, energy, photonics
Animateur scientifique : Christophe Dujardin
Scientific coordinator: Christophe Dujardin
L’axe thématique "Matériaux, énergie, photonique" trouve sa place entre science fondamentale des matériaux et applications. Il fédère sept équipes dont une partie des activités se retrouve dans des thématiques autour de la compréhension de phénomènes physiques en lien avec leurs propriétés structurales ou physico-chimiques, et/ou des applications potentielles de ces mêmes propriétés.
Les frontières de l'axe thématique sont délicates à définir. Du point de vue des thèmes scientifiques, la notion de matériaux sous-entend que les objets d’intérêt vont des échelles macroscopiques (massifs) à la nanostructure, qu’ils soient amorphes ou cristallins, en passant par des structures mono- ou bi-dimentionnelles telles que les fibres ou films minces. On se focalisera ici sur les ensembles de nanostructures alors que les études sur particules uniques se retrouveront plus naturellement dans l’axe "Nanosciences".
Du point de vue des fonctions, les équipes sont majoritairement impliquées dans les domaines de l’optique et de la spectroscopie. Il en résulte un fort potentiel de compétences et d’équipements pour développer des activités autour des matériaux pour l’optique, qu’ils soient passifs ou actifs. A titre d’illustrations, les propriétés de conversion de fréquences, d’amplification, d’effets Raman stimulés, de scintillation concernent des secteurs d’activités aux enjeux sociétaux importants tels que le photovoltaïque, l’imagerie médicale, les télécommunications, l’opto-électronique, le stockage des déchets nucléaires, la thérapie, la photocatalyse, les bio-capteurs énantiosélectifs. Par ailleurs, la recherche de matériaux à propriétés magnétiques ajustables telles que l’anisotropie magnétique ainsi que les effets des hautes pressions sur la structure et donc les propriétés vibrationnelles, thermoélectriques ou bien supraconductrices font partie des compétences fortes de cet axe.
Au delà des études de leurs propriétés, l’élaboration de ces matériaux est une des richesses de l’axe. En ce qui concerne l’élaboration de nanoparticules, on retrouvera ainsi plusieurs types de compétences fortes allant de la synthèse par chimie douce de matériaux hybrides à fonctionnalités optiques et magnétiques en direction par exemple de la santé, à des techniques d’élaboration par voies physique (Low Energy Cluster Beam Deposition, Pulsed Laser Ablation in Liquid) pour des études plus fondamentales orientées également vers l’optique ou le magnétisme. Un fort potentiel d’élaboration de films minces à fonctionnalités optiques est également présent à travers les techniques de Pulsed Laser Deposition de dépôts par voies sol-gel de matériaux organiques ou inorganiques. La synthèse cristalline sous forme de fibres ou monocristaux est aussi une compétence importante présente au sein de l’axe. L’iLM est ainsi très impliqué dans la recherche, la fabrication et l’analyse des composants de l’interférométrie gravitationnelle, notamment la fabrication des miroirs de grande taille à très basse absorption. L’élaboration de matériaux sous conditions extrêmes de température et pression fait également partie des savoir-faire présents dans l’axe thématique. Enfin, au travers de leurs recherches autour de la compréhension des matériaux et des phénomènes lumineux ou colorés, les chercheurs ont développé des recherches en lien avec les Sciences Humaines et Sociales sur le thème " Lumière Matière pour les arts et le patrimoine ».
Une grande partie de ces thèmes de recherche s’appuie sur la plateforme ILMTech de l’institut et hors institut (CLYM, Cristal INNOV) ainsi que sur les grands instruments, ESRF, ILL et Soleil au niveau national, DESY, BESSY (Allemagne), SLS (Suisse), ELETTRA (Italie), Argone (USA) et Campesina (Brésil) au niveau international.
The thematic axis “Materials, energy, photonics” occupies the middle ground between fundamental materials science and application-oriented research. It unites seven groups whose research activities contain an aspect of understanding physical phenomena with respect to the structural or physico-chemical properties of materials and/or the potential applications of those same properties.
The boundaries of this thematic are difficult to define sharply. With respect to scientific questions, the concept of “materials” implies that the dimensions of the objects of interest range from the macroscopic (bulk materials) down to nanostructures, both amorphous and crystalline, with one- or two-dimensional structures, as fibers or thins films, as intermediates. With regard to our axis, we limit ourselves to assemblies of nanostructures on the low end of the dimensional scale, while the investigation of individual nanoparticles is more naturally imputed to the axis "Nanosciences".
The research groups of the axis are mainly active in the fields of optics and spectroscopy. This results in a broad expertise and instrumental infrastructures for the development of active and passive materials for optics and photonics. As a non-exhaustive illustration, we mention here frequency-conversion properties, amplification, stimulated Raman effects, scintillation, with relevance for important societal challenges such as photovoltaic, medical imaging, telecommunication, opto-electronics, nuclear waste storage, therapy, photocatalysis, and enantioselective biosensors. Furthermore, the search for materials with tunable magnetic properties such as magnetic anisotropy, as well as the effects of high pressure on the structure and on the vibrational, thermoelectric, or superconductive properties, are part of the specific competences of the axis.
In addition to studies of their properties, the elaboration of these materials is one of the strengths of the axis. With regard to the development of nanoparticles, several types of strong skills will be found, ranging from the synthesis by soft chemistry of hybrid materials with optical and magnetic functionalities in the direction of health, for example, to development techniques by physical means (Low Energy Cluster Beam Deposition, Pulsed Laser Ablation in Liquid) for more fundamental studies also oriented towards optics or magnetism. A strong potential for the elaboration of thin films with optical functionalities is also present through Pulsed Laser Deposition techniques for sol-gel deposition of organic or inorganic materials. Crystalline synthesis in the form of fibres or monocrystals is also an important skill within the axis. The iLM is thus very involved in the research, manufacture and analysis of components for gravitational interferometry, notably the manufacture of large mirrors with very low absorption. The development of materials under extreme conditions of temperature and pressure is also part of the know-how present in the thematic axis. Finally, through their research into the understanding of materials and luminous or coloured phenomena, the researchers have developed research in connection with the Human and Social Sciences on the theme of "Light and Matter for the Arts and Heritage".
A large part of these research topics takes advantage of the ILMTech scientific platform of the institute and of external infrastructure (CLYM, Cristal INNOV), as well as of large scale facilities, i.e., ESRF, ILL and Soleil at the national level, and DESY, BESSY (Germany), SLS (Switzerland), ELETTRA (Italy), Argone (USA) and Campesina (Brazil) on an international scale.