Untitled - Institut des NanoSciences de Paris

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Table des matières
Pages
Message de la direction
Nouvel organigramme
Rapports des équipes
Axe I : Nanostructures quantiques : de l’objet modèle aux systèmes quantiques complexes
Equipe I.1 : « Nanostructures et systèmes quantiques »
Equipe I.2 : « Dispositifs quantiques contrôlés : nanofabrication, propriétés électroniques et magnétiques »
Axe II : Structure, dynamique et réactions aux interfaces
Equipe II.1 : « Croissance et propriétés de systhèmes hybrides en couches minces »
Equipe II.2 : « Physico-chimie des surfaces fonctionnelles »
Equipe II.3 : « Oxydes en basses dimensions »
Equipe II.4 : « Dynamique des interfaces »
Equipe II.5 : « Dissipation et relaxations aux interfaces »
Equipe II.6 : « Des agrégats aux surfaces, couches minces et nanostructures :
Perturbations dynamiques fortes »
Axe III: Optique et acoustique des couches minces et des nanostructures
Equipe III.1 : « Acoustique, optique et thermique ultra-rapides dans les nano-systèmes »
Equipe III.2 : « Couches minces et nanostructures pour l’optique et l’opto-électronique »
Equipe III.3 : « Propagation électromagnétique en milieu hétérogène – Applications »
Rapports des services techniques
La communication
Atelier d’optique cristalline et de rayons X
La Salle Blanche
Informatique
Annexes
Annexe 1 : Organisation du laboratoire
1.1.
Organigramme général au 31/07/2007
1.2.
Organigramme scientifique 2009-2013
1.3.
Organigramme technique à la date du 31/07/ 2007
1.4.
Equipe de direction
1.5.
Composition des conseils
1.6.
Correspondants
Annexe 2 : Personnel permanent
2.1
Soutenances d’habilitation
2.2
Promotions
2.3
Mouvements
2.4
Liste nominative des Chercheurs CNRS (au 31/07/2007)
2.5
Liste nominative des Enseignants-chercheurs (au 31/07/2007)
2.6
Liste nominative des ITA et IATOS (au 31/07/2007)
2.7
La pyramide des âges Chercheurs – Enseignants-chercheurs
2.8
La pyramide des âges ITA – ITRF
Annexe 3 : Personnel non-permanent
3.1
Thèses soutenues
3.2
Thèses en cours (au 31/07/2007)
3.3
Visiteurs longue durée, ATER et post-docs
Annexe 4 : Rayonnement de l’INSP
4.1
Prix scientifiques
4.2
Intervention en enseignement de niveau M2
Formation permanente
Hygiène et sécurité
Equipements
1
5
7
29
37
61
73
91
97
103
113
129
147
153
155
157
158
159
160
161
163
163
163
164
164
165
167
168
169
170
171
172
174
176
177
177
179
181
183
L’INSP a été créé au premier janvier 2005 par un rassemblement d’équipes issues de quatre laboratoires de matière
condensée du site de Jussieu : LMDH, LMCP, LOS et GPS, travaillant dans le domaine des nanosciences. L’idée d’un tel
institut a émergé progressivement d’un long processus interactif dans lequel sont intervenus les acteurs institutionnels de
l’Université Pierre et Marie Curie (présidence, directoire, UFR) et du CNRS (département scientifique, comité national), et
auquel a participé l’ensemble de la communauté scientifique sur et autour du campus Jusseiu. Le terme « nanosciences »
recouvre de manière générique, un vaste ensemble d’activités s’intéressant au comportement d’objets dont la taille est
comparable ou inférieure à la longueur caractéristique des phénomènes considérés, même si le nanomètre ne représente pas
nécessairement l’échelle pertinente à laquelle tous les phénomènes prennent place. Le but des recherches menées à l’INSP est
d’élaborer, étudier, comprendre, manipuler et simuler les propriétés nouvelles de ces objets. A ce jour, le laboratoire compte
86 chercheurs et enseignants-chercheurs et 51 ITA-IATOS permanents, ainsi qu’une cinquantaine de personnels nonpermanents, incluant 34 doctorants. Son atout tient au côtoiement de chercheurs théoriciens et expérimentateurs, spécialistes
en physique atomique et moléculaire, physique de la matière condensée, optique, chimie, chacun reconnu dans son domaine.
L’Institut est une unité mixte de recherche (UMR7588) CNRS-Université Pierre et Marie Curie- Université Paris Diderot.
Bilan des quatre années passées :
Le rapport couvre une première période allant de l’été 2003 au 31 décembre 2004, pendant laquelle les équipes qui
allaient constituer l’INSP appartenaient encore à leurs structures d’origine puis une seconde période allant du 1er janvier 2005
à l’été 2007 où le nouveau laboratoire a effectivement existé. Prévue dans la logique des anciens laboratoires, la localisation
des équipes sur le site de Boucicaut n’a pu être que marginalement modifiée. Le regroupement physique des équipes se fera
au retour sur Jussieu, à une date qui semble aujourd’hui fixée vers la fin de l’année 2009..
L’organigramme scientifique du laboratoire au cours de ces quatre années (Annexe 1) présente l’ensemble des
projets scientifiques, regroupés en trois axes :
I : Nanostructures quantiques : de l’objet modèle aux systèmes quantiques complexes
II : Structure, dynamique et réactions aux interfaces
III : Optique et acoustique des couches minces et des nanostructures.
Les principales avancées scientifiques, ainsi que les perspectives pour chaque équipe, sont décrites dans le rapport suivant
cette logique. La période peut être définie comme une période de concrétisation des projets élaborés avant 2003. A noter que
de nombreuses collaborations inter-équipes et inter-axes ont vu le jour au cours des quatre années écoulées, ce qui manifeste
de l’existence d’une réelle cohésion scientifique au sein de l’INSP. Les équipes organisent des réunions de travail et des
séminaires spécialisés en parallèle au séminaire général hébdomadaire de l’INSP.
De nombreux développements instrumentaux ont vu le jour ces dernières années. Cela vient, bien sûr, du
dynamisme des équipes mais c’est aussi logiquement la phase attendue après deux ans de réflexion et d’élaboration de projets
scientifiques nouveaux en 2002-2003. Ils ont vu le jour d’une part grâce à l’efficacité des chercheurs à trouver des
financements externes (ACI, ANR, BQR, Crédits mi-lourds CNRS, PPF, contrats variés), et d’autre part grâce au soutien
financier apporté par le ministère dans le cadre de quatre PPF et des crédits de réinstallation. A noter en particulier le
développement de la salle blanche de l’INSP en couplage étroit avec l’ENS, l’ESPCI et l’Université Paris Diderot, avec qui
nous avons conjointement obtenu une accréditation comme centrale de proximité de second cercle de Paris Centre. Le soutien
financier (ACI) qui accompagnait cette accréditation, additionné à un financement ANR 2005 et au PPF « salle blanche »,
nous a permis d’acquérir en 2007 un dispositif de photo-lithogravure UV et de l’installer dans la salle blanche actuelle de
Boucicaut.
Depuis 2003, les équipes de recherche ont bénéficié de 14 recrutements (dont un professeur) ou renforcements par
mutations et changement de laboratoire de chercheurs ou enseignants-chercheurs. Dans le même temps, on a compté 18
départs (retraites, mutations, décès). Ce bilan indique que l’INSP se situe dans une dynamique favorable au développement
de projets de recherche. Néanmoins, certaines équipes manquent encore de masse critique sur certaines opérations. Malgré le
faible nombre de doctorants recrutés durant l’année 2003 à cause du déménagement, l’implication d’étudiants dans les
équipes est plutôt en hausse : au 1er janvier 2006, l’INSP compte 34 thèses en cours (28 lors du bilan précédent) ; 38 ont été
soutenues dans les quatre ans passés. A noter également 8 soutenances d’HDR.
Les travaux scientifiques, décrits ci-dessous, sont diffusés dans 607 articles dans des revues indexées et ont
permis 111 invitations en conférences internationales. 9 prix scientifiques ont récompensé les recherches menées, ainsi
que 15 promotions (6 passages CR1-DR2, 2 passages DR2-DR1, 2 passage MC-PU2, 3 passage PU2-PU1 ; 2 passages PU1PUCE).
Les équipes participent activement à des réseaux de recherche. Au niveau régional, l’INSP s’est investi
massivement dans le réseau C-Nano Ile de France, avec quatre de ses membres dans les différents bureaux. Les GDR restent
une structure favorite de rencontres au niveau national. A noter le GDR « Couleur et matériaux à effets visuels » dirigé par J.
Lafait pendant la période 2003-2006 et reconduit pour quatre ans au début 2007. Par ailleurs, de nombreux accords bilatéraux
existent avec l’Amérique du Sud, l’Afrique du Nord, des pays de l’ex-bloc soviétique ou d’extrême orient, ainsi que plusieurs
pays d’Europe, favorisant ainsi le montage de co-tutelles de thèses, et, parfois, l’accès à des échantillons originaux.
Le soutien administratif et technique de l’INSP est aujourd’hui assuré par 51 ITA-IATOS, dont certains
appartiennent à des services communs et d’autres travaillent plus spécifiquement avec une ou deux équipes. L’affectation des
personnels s’est faite dans le respect des souhaits des agents, à la suite d’une action de gestion prévisionnelle des emplois et
1
des compétences (GPEC) qui a été menée entre le printemps 2004 et la fin de l’hiver 2004/2005, avec l’aide de la délégation
régionale de Paris B. Cette action GPEC représente la base sur laquelle aujourd’hui et dans le futur, nous argumentons nos
besoins en soutien technique et en formation permanente. Elle contient une information sur l’évolution des métiers nécessaire
aux projets scientifiques de l’Institut.
Malgré les vives inquiétudes exprimées au moment de la création par le personnel, que l’appartenance à un gros
ensemble rende moins visible le travail de chacun, force est de constater aujourd’hui que c’est plutôt l’inverse qui s’est
produit. 16 promotions sont venues récompenser la qualité du travail et l’investissement personnel des agents : 1 passage
AGT-AJT, 1 AJTP-TCn, 2 TCn-TCs, 3 T-AI, 3 AI-IE, 2 IE2-IE1, 3 IE-IR2 et 1 IR2-IRHC, ce qui représente 14 promotions
au choix et 2 par concours interne. Elles ont permis de relaxer un certain nombre de tensions dues au blocage des carrières. Il
en reste, bien sûr, mais tout le travail effectué pendant les dernières années a clairement indiqué l’importance et la priorité
que la direction accorde aux questions concernant le personnel.
Depuis l’été 2003, 18 agents ITA-IATOS ont quitté le périmètre de l’INSP. Ceci se décline en 9 départs à la
retraite, 2 décès, 6 mutations et 1 réussite à un concours externe. Simultanément, ont été intégrés 15 agents (9 par mutation
et 6 par recrutement sur concours) ; trois autres concours sont actuellement ouverts et nous sommes en attente de l’arrivée
d’un agent en mutation au 1er janvier 2008. Nous sommes très reconnaissants au département MPPU du CNRS, aux services
de la délégation régionale Paris B et au service du personnel de l’UPMC d’avoir été attentifs à nos besoins et d’avoir
accompagné et parfois même anticipé certains départs qui auraient mis en péril le fonctionnement du laboratoire.
Il faut cependant noter que les charges administratives qui pèsent sur les laboratoires ont crû au cours des quatre
années passées, dans des proportions qu’il n’est pas exagéré de qualifier de déraisonnables : transfert de tâches des services
centraux aux laboratoires, multiplication des saisies de données sur des logiciels (différents pour chaque tutelle) chaque
année plus complexes et souvent inadaptés à la réalité des laboratoires, rigidification des règles d’achat, de gestion des
contrats…La liste serait longue. Dans ce contexte, nous avons très récemment créé au laboratoire un poste d’administrateur
en réorientant les activités d’un IR du laboratoire Néanmoins, le service de gestion, les chercheurs et la direction assument
aujourd’hui une très lourde part de cette situation qui constitue à notre sens une dérive bureaucratique inquiétante.
Depuis sa création (et, en anticipation, depuis l’automne 2004) l’Institut fonctionne comme une entité unique (par
opposition à un cotoiement de départements). Il s’est doté d’un conseil de laboratoire qui se réunit en moyenne une fois par
mois et qui discute tous les aspects de sa vie. Il possède également une commission du personnel, qui est une émanation du
conseil de laboratoire, deux ACMO (un pour le site Boucicaut et une pour le site Jussieu) et des correspondants (valorisation,
formation, compétences et communication) (voir Annexe 1). Le conseil de laboratoire a discuté et approuvé un certain
nombre de textes fondateurs, au premier rang desquels le règlement intérieur de l’unité, la charte informatique et un
complément à la charte des thèses.
La communication interne reste une priorité, en raison de la taille de l’Institut et de son hétérogénéité initiale. La
création du site web de l’INSP et de son intranet va dans ce sens. Nous avons organisé un séminaire de deux journées hors
mur en février 2006 pour favoriser la connaissance mutuelle des personnels. Néanmoins, la communication est affaire de tous
et affaire de durée.
La vie scientifique s’est organisée sur le site Boucicaut. Prévue dans la logique des anciens laboratoires,
l’installation des équipes n’a pas pu être modifiée au moment de la création de l’INSP, ce qui représente un frein au contact
entre les équipes et à la communication. Néanmoins, le site est petit et agréable, l’ambiance plutôt bonne et la proximité de
l’IMPMC bénéfique. Les problèmes liés au déménagement depuis Jussieu sont maintenant résolus pour tous, bien qu’ils
aient, en leur temps requis plus d’énergie que nous n’étions en droit d’attendre. Nous souffrons de manière récurente de
problèmes d’inondation. En particulier, au printemps 2005, la réserve de la bibliothèque a beaucoup souffert. Il a fallu, dans
l’urgence, sortir des rayonnages une centaine de revues reliées, décoller leurs pages et les faire sécher. La moitié environ a dû
être envoyée à une société spécialisée dans la restauration de livres détériorés. Certains équipements lourds, comme les
accélérateurs, la source d’ions ou encore l’ensemble d’épitaxie par jets moléculaires, sont restés sur Jussieu. Les conditions
de travail auprès de ces équipements, qui se retrouvent « cernés » par le chantier de désamiantage et de réhabilitation, se
détériorent de jour en jour accumulant coupures d’électricité (planifiées ou intempestives), problèmes sur le circuit d’eau,
inondations ou encore odeurs d’égout insupportables.
Trois générations de doctorants ont pâti du déménagement. La perte de temps est estimée entre trois et six mois
selon le type d’expérience sur lequel travaillait le thésard. Lors du précédent comité d’évaluation et à l’occasion d’autres
rencontres, le ministère s’était engagé à accorder des prolongements de bourse lorsque nécessaire. Si cette promesse a été
tenue envers la première génération de doctorants (ceux qui terminaient en septembre 2004), il n’en a pas été de même en
2005, et nous avons été alors informés qu’aucune prolongation ne serait accordée à l’avenir. Pris à l’improviste, car la
décision ne nous a été notifiée qu’à la fin du mois de juillet, nous n’avons pas pu adapter la fin de travail de thèse et trois
étudiants se sont trouvés en difficulté. Le laboratoire a financé un contrat de trois mois pour chacun d’entre eux, sur ses fonds
propres, afin de les aider à terminer leur thèse. Cette question est préoccupante puisqu’elle va se reposer dans quelques
années. Nous faisons à nouveau appel au ministère pour qu’il prenne à l’avance des engagements, faute de quoi le laboratoire
souffrira une seconde fois d’une ou plusieurs générations manquantes de doctorants.
Les enseignants-chercheurs mais aussi les chercheurs CNRS de l’INSP s’investissent largement dans diverses
instances de nos organismes de tutelle ainsi que dans les enseignements de l’UPMC ou d’universités voisines au niveau M2.
C’est un facteur certainement favorable pour attirer de bons étudiants en stage de M2 puis en thèse. Mais nous avons
également ouvert plus largement les portes du laboratoire à des étudiants plus jeunes, inscrits en L3 ou M1, dont certains
forgent leur vocation à cette occasion.
2
La visibilité des recherches poursuivies à l’INSP se traduit dans une forte prise de responsabilité dans l’organisation
d’écoles, workshops ou colloques. Dans les quatre années passées, pas moins de 65 actions de ce type ont vu le jour, tant au
niveau national (journées scientifiques, mini-colloques ou conférences nationales) qu’international (conférences, écoles),
organisées ou co-organisées par des membres de l’INSP.
Dans les années passées, grâce au rôle tout à fait moteur de notre chargée de communication, l’INSP s’est investi
avec force dans des actions de communication externe. Au-delà de la participation de ses agents à de multiples conférences
grand public, interventions dans la presse (radio, télévision, points presse), publications grand public et organisations
d’expositions, il participe chaque année à l’opération nationale « Fête de la science ». En 2005, l’INSP en partenariat avec
l’IMPMC a animé le stand du CNRS au Village des Sciences de Paris (Jardin du Luxembourg). En 2007, l’INSP a été maître
d’œuvre dans l’organisation de quatre débats intitulés « Nanosciences : dialogues avec le CNRS » dans des lieux publics
parisiens. Cette opération répond directement à l’une des recommandations émises par le COMETS en matière de
communication sur les nanosciences et nanotechnologies.
Perspectives pour le laboratoire
L’INSP cherchera dans les années à venir à renforcer ses capacités pour travailler dans le domaine des nanosciences
avec l’acception large de ce terme définie dans l’introduction de ce message. Les retombées des efforts importants consentis
par tous ces 3 dernières années, au sein de notre institut, se font déjà sentir et cela devrait s’amplifier dans le futur proche.
D’un point de vue institutionnel, compte tenu du désengagement quasi total et unilatéral de l’UFR de physique de
l’université Paris Diderot dans le soutien au laboratoire au cours des quatre années passées, la tutelle (secondaire) de cet
établissement ne sera pas redemandée pour le prochain quadriennal. Nous sommes conscients des problèmes que cela posera,
en particulier aux 13 agents qui appartiennent à cet établissement et pour lesquels nous tenterons de trouver des solutions au
cas par cas. Le retour espéré sur le campus Jussieu devrait également perturber la vie de l’INSP sur une période que l’on peut
estimer entre 6 mois et un an.
L’actuelle directrice du laboratoire, Claudine Noguera, ayant souhaité cesser d’exercer cette responsabilité, c’est
Bernard Perrin qui porte le projet exposé dans ce document.
Les nouveaux projets, proposés à la suite du long travail de réflexion qui a conduit à la création de l’INSP, ont été
mis en œuvre et ont induit de nombreux développements toujours en cours et d’importants investissements expérimentaux. Il
va de soi que, compte tenu de la brève histoire de ce laboratoire, les grandes lignes scientifiques énoncées dans le projet
initial seront maintenues pour le prochain plan quadriennal, ce qui n’exclut évidemment pas le développement de nouveaux
thèmes. Pour les mêmes raisons, les groupes formés pour la réalisation du précédent plan demeurent et les perspectives des
travaux en cours et l’exposé des nouveaux projets sont donc décrits dans les rapports des équipes.
Cette première phase de vie de l’institut nous a conduits à proposer quelques modifications dans l’organigramme
scientifique pour le prochain plan quadriennal. L’expérience des 32 mois écoulés depuis janvier 2005 a permis de constater
que l’actuel axe II intitulé « structure, dynamique et réactions aux interfaces » et formé de 6 équipes de recherche de l’INSP
avait sans doute une taille trop grande pour y permettre l’épanouissement d’une animation scientifique régulière. Deux
équipes de cet axe « Oxydes en basses dimensions » (J. Jupille) et « Des agrégats aux surfaces sous excitation intense» (D.
Vernhet) et la partie de l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces » animée par Victor
Etgens ont donc pris l’initiative de proposer un nouveau regroupement autour du thème « Nanomatériaux : croissance,
polarité et excitations fortes ».
L’organigramme proposé pour le prochain plan quadriennal, donné ci-après, décrit la composition des 12 équipes regroupées
en 4 axes.
Les activités de l'axe I, « Nanostructures quantiques : de l’objet modèle aux systèmes quantiques complexes »,
s'articuleront autour de l'étude des propriétés électroniques (charge et spin) ou phononiques nouvelles liées au confinement
dans des nanostructures. Le contrôle, la manipulation temporelle et spatiale, des états quantiques dans des nano-objets
uniques formeront le fil directeur des recherches dans cet axe. Des systèmes quantiques complexes spécialement conçus métalliques, semi- ou supra-conducteurs - seront au cœur de ces études expérimentales et théoriques. Ces études
s’appuieront, en particulier, sur les dévéloppements expérimentaux récents, tels que le contrôle cohérent en microphotoluminescence et la spectroscopie tunnel à balayage sous ultravide et à très basse température.
La nouvelle organisation et les mouvements de quelques chercheurs permettent au nouvel axe II de se recentrer sur
le thème « Confinement et transport en optique et acoustique ». La présence de nombreuses interfaces à des distances
proches de la longueur d’onde provoque des interférences interdisant la propagation des ondes pour certaines fréquences.
Ceci est mis à profit dans les cristaux photoniques ou phononiques pour piéger des champs, contrôler l'émission de
matériaux, obtenir des cavités micro optiques ou nano acoustiques ou faire apparaître de nouveaux phénomènes tels que la
réfraction négative. Le recrutement d’Agnès Maitre comme professeur à l’UPMC en 2005 va permettre l’émergence d’un
nouveau thème de recherche sur les effets du confinement de nano émetteurs.
L’axe III qui conserve l’ancien intitulé de l’axe II, « Structure, dynamique et réactions aux interfaces », étudie le
lien entre la structure à l'échelle microscopique (atomes, molécules, polymères, agrégats, microcristaux) de matériaux au
voisinage des surfaces ou interfaces et leurs propriétés mécaniques, électroniques, physico-chimiques et de transport à
l'échelle macroscopique.
L’axe IV « Nanomatériaux : croissance, polarité, excitations fortes » vise à réunir les expertises et les moyens des
équipes « Couches minces et nanostructures hybrides », « Oxydes en basses dimensions » et « Des agrégats aux surfaces,
couches minces et nanostructures : perturbations dynamiques fortes » autour des thèmes relatifs à la croissance des films
3
minces et des agrégats, au rôle et à la nature des interfaces, et à la dynamique d’interaction pour des substats soumis à des
champs intenses.
86 chercheurs et enseignants chercheurs sont inscrits dans ce nouvel organigramme et trois recrutements de maîtres de
conférences à l’UPMC devraient intervenir au printemps 2008. Au-delà de cet horizon immédiat, une projection sur le
prochain plan quadriennal rend probable la cessation d’activité de 9 chercheurs CNRS, de 4 enseignants-chercheurs de
l’UPMC et 2 de l’université Paris Diderot. Ces départs affecteront plus particulièrement les équipes I.1, II.2, III.1 et IV.2 du
futur organigramme. Par ailleurs plusieurs équipes sont ou deviendront sous-critiques. Même si cette évolution conduit
inévitablement à l’arrêt de certaines activités, de nouvelles collaborations devront s’établir au sein de l’INSP et les efforts de
recrutement porteront sur les thèmes impliquant des chercheurs jeunes et pour lesquels d’importants investissements ont été
consentis ces dernières années. Par ailleurs la qualité des infrastructures après le retour sur le campus Jussieu, que l’on espère
proche, pourrait permettre d’attirer un ou des groupes de recherche sur des thèmes permettant un ancrage encore plus fort de
notre institut dans les nanosciences. Sur l’actuel plan quadriennal les effectifs ont pu être maintenus grâce notamment à un
flux régulier d’entrants à l’UPMC. Les très importants développements expérimentaux réalisés sur l’actuel plan quadriennal
imposent le même effort de recrutement dans la suite. Les conditions de recrutement peuvent toutefois se révéler différentes
sur le prochain plan car le nombre de départs d’enseignants chercheurs sur l’UFR de physique de l’UPMC devrait être
inférieur à ce qu’il est actuellement et le désengagement de la tutelle de l’Université Paris Diderot ne permettra pas de
compenser le départ des enseignants de cet établissement. C’est pourquoi nous souhaitons que le CNRS accorde, pour le
prochain plan quadriennal, une attention particulière au recrutement de jeunes chargés de recherches par notre laboratoire.
Notons enfin qu’un nombre important d’habilitations à diriger des recherches récemment soutenues ou prévues dans les
prochains mois annonce une vague de candidatures aux promotions CR-DR ou MC-PU dans les prochaines années.
L’INSP connaît à l’instar de nombreux autres laboratoires en physique, des difficultés pour recruter des étudiants
en thèse, ce problème étant sans doute accentué par la délocalisation de notre laboratoire sur le site Boucicaut. Un effort
particulier sera porté pour renforcer la participation des membres du laboratoire dans les enseignements au niveau M2 de la
région parisienne et pour accroître les partenariats avec des universités et laboratoires étrangers pour attirer des étudiants ou
mettre sur pied des cotutelles. C’est ainsi qu’un projet de laboratoire international rassemblant plusieurs équipes de l’INSP,
quelques chercheurs du LCAM et du LPN en France et plusieurs groupes du CNEA en Argentine est en cours de montage.
En outre un master international avec la Suède se met en place avec la participation de plusieurs membres du laboratoire.
Un examen de la pyramide des âges pour le personnel ITA/IATOS nous permet de prévoir le départ de 20 agents
d’ici la fin du prochain plan dont 8 à l’horizon 2008. Ces départs comprennent entre autres 3 ingénieurs référents pour les
équipes, 7 personnes affectées au service « Mécanique » et deux autres dans les services généraux. Ces domaines feront
l’objet d’une attention particulière et le recrutement de deux ingénieurs référents et d’un assistant ingénieur en mécanique fait
déjà partie des priorités affichées par l’INSP dans les demandes actuelles auprès de l’UPMC et du CNRS. Les capacités en
électronique analogique devront être également développées car les besoins de l’institut sont importants dans ce domaine et
dans le pilotage à distance d’expériences lourdes. Par ailleurs le plan de formation prévu par l’unité est pour l’essentiel centré
sur l’apparition de nouveaux besoins (salle blanche, chaînes laser femtosecondes, machines outils numériques).
Nous souhaitons terminer en remerciant N. Bonnet, M. Mélois, V. Guezo, C. Caron, G. Vuye, C. Dematteis ainsi
que toute l’équipe de direction : D. Vernhet, Y. Borensztein, R. Grousson pour leur aide précieuse dans l’établissement de ce
rapport.
A Paris, le 25 septembre 2007
Claudine Noguera directrice de l’INSP
Bernard Perrin, porteur du projet pour 2009-2013
4
Organigramme 2009-2013
Axe I - Nanostructures quantiques : de l’objet modèle aux systèmes quantiques complexes
•
1 – Nanostructures et systèmes quantiques (C. Gourdon)
Barisien Thierry, MC ; Bernardot Frédéric, MC ; Chamarro Maria, PU2 ; Combescot Monique, DR1 ; Gourdon Catherine,
CR1 ; Grousson Roger, DR2 ; Jeudy Vincent, PU2 ; Jusserand Bernard, DR2 ; Kanehisa Makoto, CR1 ; Legrand Laurent,
MC ; Lemaistre Jean-Pierre, CR1 ; Morhange Jean-François, IR1 ; Perez Florent, MC ; Schott Michel, DR émérite ; Testelin
Christophe, CR1 ; Voliotis Valia, MC, 1 MC à recruter en 2008
•
2 – Dispositifs quantiques contrôlés : nanofabrication, propriétés électroniques et magnétiques (D. Roditchev)
Debontridder François, IR2 ; Cren Tristan, CR2 ; Noat Yves, CR1 ; Roditchev Dimitri, DR2
Axe II – Confinement et transport en optique et acoustique
•
1 – Acoustique, optique et thermique ultra-rapides dans les nano-systèmes (J.Y. Duquesne)
Belliard Laurent, MC ; Bonello Bernard, CR1 ; Doussineau Pierre, PU CE ; Duquesne Jean-Yves, CR1 ; Ganot François,
CR1 ; Huynh Agnès, MC ; Palpant Bruno, MC ; Péronne Emmanuel, CR2 ; Perrin Bernard, DR2 ; Prot Dominique, MC ;
Thomas Jean-Louis, CR1 ; Vincent Serge, IR2 ; 1 MC à recruter en 2008
•
2 – Nanostructures et optique (A. Maître)
Barthou Carlos, CR1 ; Coolen Laurent, MC ; Elias Madeleine, PRCE ; Fave Jean-Louis, CR1 ; Frigerio Jean-Marc, PU1 ;
Maître Agnès, PU2 ; Naud Claude, IR1 ; Rivory Josette, PR émérite ; Roussel Joseph, MC
•
3 –Milieux désordonnés multi-échelles : biophotonique, couleur (J. Lafait)
Andraud Christine, MC ; Berthier Serge, PU1 ; Lafait Jacques, DR1
Axe III – Structure, dynamique et réactions aux interfaces
•
1 – Couches nanomètriques ; formation, interfaces, défauts (I. Vickridge)
Amsel Georges, DR émérite ; Cantin Jean-Louis, MC ; Clerjaud Bernard, PU CE ; D'Angelo Marie, MC ; Ganem JeanJacques, MC ; Grosman Annie, MC ; L'Hoir Alain, PU1 ; Schmaus Didier, PU2 ; Trimaille Isabelle, IR2 ; Vickridge Ian,
DR2 ; Von Bardeleben Jurgen, DR2
•
2 – Physico-chimie des surfaces fonctionnelles (B. Croset)
Borensztein Yves, DR2 ; Croset Bernard, DR2 ; Fauré Marie-Claude, MC ; Goldmann Michel, PU2 ; Lacaze Emmanuelle,
CR1 ; Pluchery Olivier, MC ; Prévot Geoffroy, CR1 ; Witkowski Nadine, MC ; 1 MC à recruter en 2008
3 – Dynamique des interfaces (G. Faivre)
Akamatsu Silvère, CR1 ; Bottin-Rousseau Sabine, MC ; Faivre Gabriel, DR2
•
4 –Mécanique multi-échelles des solides faibles (T. Baumberger)
Baumberger Tristan, PU1 ; Bureau Lionel, CR2 ; Caroli Christiane, DR émérite ; Ronsin Olivier, MC
Axe IV – Nanomatériaux : croissance, polarité et excitations fortes
•
1 – Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces (V. Etgens)
Eddrief Mahmoud, IR HC ; Etgens Victor, DR2 ; Gallas Bruno, CR1 ; Marangolo Massimiliano, MC ; Perrière Jacques,
DR2 ; Vidal Franck, MC ; Zheng Yun-Lin, CR1
•
2 – Oxydes en basses dimensions (J. Jupille)
Brunet-Bruneau Aline, MC ; Depondt Philippe, MC ; Finocchi Fabio, DR2 ; Gendron François, MC ; Goniakowski Jacek,
DR2 ; Jédrécy Nathalie, PU2 ; Julien Christian, IR1 ; Jupille Jacques, DR1 ; Lazzari Rémi, CR1 ; Naud Claude, IR1 ;
Noguera Claudine, DR1 ; Stankic Slavica, CR2
•
3 –Agrégats et Surfaces sous excitation intense (D. Vernhet)
Lamour Emily, MC ; Prigent Christophe, MC ; Rozet Jean-Pierre, PU1 ; Trassinelli Martino, CR2, Vernhet
Dominique, DR2
5
6
Rapport des équipes
Equipe I.1 – Nanostructures et systèmes quantiques (R. Grousson, C. Gourdon)
Permanents : Barisien Thierry, MC ; Bernardot Frédérick, MC ; Chamarro Maria, PU2 ; Combescot Monique, DR1 ;
Gourdon Catherine, CR1 ; Grousson Roger, DR2 ; Jeudy Vincent, PU2 ; Jusserand Bernard, DR2 ; Perez Florent, MC ;
Jouanne Michel, IR2 (décédé en 2006) ; Kanehisa Makoto, CR1 ; Lapersonne Claudette, PU1 (directrice IUFM Paris);
Legrand Laurent, MC ; Lemaistre Jean-Pierre, CR1 ; Morhange Jean-François, IR1 ; Schott Michel, DR émérite ; Testelin
Christophe, CR1 ; Voliotis Valia, MC
Non permanents : Tribollet Jérôme, doctorant (thèse 2003) ; Dubin François, doctorant (thèse 2004, ATER 2004-2005),
Okada Takanori, doctorant (thèse 2005, co-tutelle) ; Aubry Emilie, doctorante (thèse 2007) ; Dourlat Alexandre, doctorant ;
Eble Benoît, post-doc ; Melet Romain, doctorant ; Pogosov Valter, post-doc ; Aku-Leh Cynthia, post-doc ; Pascual Winter
Florencia, doctorante (co-tutelle).
dont l’arrivée, en 2004, a également permis de fédérer les
activités « Raman » de l’INSP.
Les activités de l’équipe « Nanostructures et
systèmes quantiques » s’organisent pour l’essentiel
autour
de
la
physique
des
nanostructures
semiconductrices. D’importants efforts expérimentaux
sont consacrés au développement de l’étude optique de
nano-objets uniques.
Enfin, au sein de notre équipe s’élabore depuis
plusieurs années un travail théorique original et novateur
sur les bosons composites, dont les extensions se
profilent maintenant bien au-delà de la physique des
semiconducteurs.
Les questions relatives au confinement quantique
ont été abordées dans des systèmes unidimensionnels :
fils quantiques inorganiques et organiques. Ces derniers
sont l’objet d’une activité de recherche pour la production
de nouveaux matériaux. Au cours des quatre dernières
années, nous avons en particulier démontré qu’un fil
organique unique composé d’une chaîne de
polydiacétylène constituait un système unidimensionnel
presque parfait. L’observation de la cohérence spatiale
macroscopique d’un état quantique le long de ce fil a
constitué un résultat particulièrement remarquable.
A l’échelle du prochain plan quadriennal, nous
souhaitons développer, en étroite collaboration avec
l’équipe «Couches minces et Nanostructures hybrides»
(V. Etgens) la croissance et l’étude optique de nanofils de
semiconducteurs.
Sur le plan technique, après une période d’arrêt de
plus de six mois lors du déménagement sur le site de
Boucicaut, les expériences ont repris en octobre 2003.
Plusieurs ensembles expérimentaux ont été développés
et/ou étoffés ces quatre dernières années:
- spectroscopie-imagerie résolue en temps pour l’étude de
nano-objets individuels ;
- effet Faraday (Kerr) pompe-sonde et transmission
(réflexion) différentielle dans les domaines pico- et
femtoseconde ;
- spectroscopie sous fort champ magnétique ;
- microscopie Kerr à température variable, sous champ
magnétique, pour l’étude des domaines magnétiques ;
- effet Raman sous champ magnétique avec résolution
angulaire, permettant la mesure des dispersions
d’excitations de spin.
En lien avec les thématiques de l’information
quantique, plus particulièrement avec la recherche de
systèmes à 2 niveaux ayant de longs temps de cohérence
pour constituer des bits quantiques, se développent au
sein de l’équipe des expériences sur la cohérence et la
manipulation d’états quantiques, exciton ou spin ½, dans
des nanostructures semiconductrices. Nous avons
notamment réussi à polariser le spin des électrons issus
du dopage par excitation optique résonante dans des
boîtes quantiques. Le régime d’oscillation de Rabi a
récemment été atteint dans les deux systèmes, exciton et
spin. Pour l’exciton, il faut souligner que ce résultat a été
obtenu sur une boîte quantique unique. Ces expériences
ouvrent la voie, d’une part, à des expériences de contrôle
cohérent d’un état quantique et, d’autre part, à
l’intrication des états quantiques de deux nano-objets.
Au cours de ces quatre années, l’équipe a
bénéficié d’un seul recrutement, celui de Florent Perez
(maître de conférence UPMC en 2006), après deux ans de
délégation CNRS à l’INSP. Ce recrutement a renforcé les
activités « Raman ». Le départ en retraite de Philippe
Lavallard en 2004 et le décès de Michel Jouanne en 2006
ont par ailleurs affaiblit notre potentiel humain. La
moyenne d’âge des membres de l’équipe, 48 ans, reflète
une expérience et des capacités d’encadrement qui ne
demandent qu’à s’employer pour former de jeunes
chercheurs.
Dans le cadre des développements de
l’électronique de spin où le stockage et le transport de
l’information utilisent le spin des électrons, nous étudions
les excitations de spin des gaz d’électrons polarisés. Un
résultat marquant a été la mesure par spectroscopie
Raman de la dispersion de l’onde de retournement de
spin d’un gaz d’électrons dans un semiconducteur
magnétique dilué. Polariser le spin des porteurs implique,
entre autres, l’utilisation de composés magnétiques dans
lesquels la connaissance des domaines magnétiques et de
leur dynamique reste une question d’actualité. Nos
études, initiées sur des films supraconducteurs où des
résultats inattendus ont été obtenus pour des domaines
circulaires, abordent maintenant des questions liées au
renversement d’aimantation dans les nanostructures de
semiconducteurs ferromagnétiques dilués.
1) Théorie à N corps pour bosons composites
Combescot Monique, Betbeder Odile, Dubin François
(doctorant), Pogosov Valter (post-doc)
Références : [7], [9], [12], [15], [16], [17], [18], [21],
[22], [24], [25], [26], [32], [38], [39], [40], [41], [49],
[50], [51], [52], [C1], [C2], [C3], [C4], [C20]
Notre activité a été principalement centrée sur la
théorie à N corps des bosons composites. Nous en avons
posé les prémices dans un papier fondateur en 2002
(Europhys. Lett. 58, 87). L’ensemble de ces travaux
représente une percée théorique d’importance, car les
théories à N corps existant jusqu’à ce jour ne
Une nouvelle thématique, les nanocavités
acoustiques à base de semiconducteurs, se développe en
collaboration étroite et fructueuse avec l’équipe III.1
(B. Perrin). Cette activité a été initiée par B. Jusserand
7
permettaient de décrire que des particules quantiques
élémentaires. Or il est bien connu que l’essentiel des
particules connues comme bosons sont formées d’un
nombre pair de fermions, c’est-à-dire qu’elles sont de fait
composites.
les manipulations de spin par pulses laser non absorbés
(précession de spin, téléportation entre boites quantiques
et réalisation de portes logiques de phase et d’Hadamard)
feront l’objet d’observations expérimentales dans le cadre
du laboratoire.
Par manque de théories appropriées, ces bosons
composites étaient traités comme des bosons
élémentaires, leur aspect composite apparaissant par un
terme d’échange supplémentaire dans leur scattering.
Parmi les résultats les plus marquants de nos travaux,
nous avons à notre grande surprise – et au grand déplaisir
de l’ensemble de la communauté scientifique ! –
démontré qu’un tel remplacement, quelle que soit la
façon dont il est fait, manque des termes aussi grands que
ceux qu’il garde, voire même, il peut manquer des termes
dominants comme dans le cas des nonlinéarités optiques
dans les semiconducteurs – sujet d’importance
technologique incontestable !
Perspectives : Après avoir publié une trentaine de
papiers, reliés de près ou de loin aux excitons, nous
sommes
actuellement
dans
une
phase
de
« diversification », les bosons composites existant dans
de nombreux domaines de la physique. La diversification
la plus simple est certainement en physique atomique,
avec les « gaz froids quantiques ». C’est un sujet en plein
essor grâce à l’observation récente de condensation de
Bose-Einstein d’atomes ou de molécules.
D’autres bosons composites d’importance sont
certainement les paires de Cooper en supraconductivité.
Un travail est en cours depuis quelques mois avec un
post-doc russe. Enfin, une diversification plus lointaine
touchera la physique nucléaire, les hadrons étant bien sûr
des particules quantiques composites.
L’idée physique de base de nos travaux peut se
résumer en ceci : les particules quantiques composées de
fermions se « sentent » d’abord et avant tout par le
principe d’exclusion de Pauli ; celui-ci génère un
ensemble d’échanges entre particules, ce qui rend
impossible l’identification de la paire de fermions
composant un boson composite particulier. Notre théorie
permet de tenir compte de tous ces échanges de façon
exacte, et de les visualiser à l’aide de « diagrammes de
Shiva », notablement plus subtils que les diagrammes de
Feynman, qui eux représentent les effets à N corps entre
particules quantiques élémentaires. Grâce à ces
diagrammes – que nous avons cherché à construire
plusieurs années durant – notre théorie a maintenant une
efficacité comparable à celle des théories à N corps pour
particules quantiques élémentaires. Il manque juste son
extension à température finie qui, nous l’espérons, devrait
être réalisée dans les années qui viennent.
2) Systèmes unidimensionnels : fils quantiques
semiconducteurs et chaînes de polymères
Barisien Thierry, Grousson Roger, Legrand Laurent,
Lemaistre Jean-Pierre, Schott Michel, Voliotis Valia,
Dubin François (doctorant-ATER), Melet Romain
(doctorant).
Références : [1], [10], [11], [33], [34], [35], [36], [42],
[46], [47], [48], [65], [L1], [L3], [C5], [C6], [C7],
[C8], [C9], [C10], [C13], [C52]
Les effets physiques originaux des systèmes
unidimensionnels : densité d’états divergente, fortes
corrélations coulombiennes, sont difficiles à mettre en
évidence car ils requièrent une structure ayant à la fois
des dimensions latérales faibles (de l'ordre de 10 nm), un
potentiel de confinement latéral fort, des fluctuations de
taille réduite et un couplage faible à l’environnement.
Nous avons choisi d’étudier deux systèmes, l’un
organique, l’autre inorganique, dans lesquels ces
conditions se trouvent partiellement ou totalement
réunies: des fils quantiques semiconducteurs GaAs/AlAs
et des chaînes de polymère conjugué, un polydiacétylène
(PDA), parfaitement ordonné dans sa matrice monomère
cristalline de diacétylène (DA). La performance de nos
expériences de spectroscopie résolue spatialement,
spectralement et temporellement, permet d'isoler et
étudier un nano-objet unique. Un résultat remarquable
obtenu grâce à ce dispositif est la démonstration de la
cohérence spatiale macroscopique de l’exciton dans une
chaîne de polymère unique.
Nous avons abordé cette théorie à N corps pour
bosons composites par le biais des semiconducteurs :
l’exciton composé d’un électron et d’un trou en
interaction coulombienne est le boson composite idéal ;
ses états propres sont connus analytiquement à 2 et 3
dimensions aussi bien pour le spectre discret que pour le
spectre continu.
La majorité des applications de cette théorie
effectuées à ce jour porte sur les excitons en physique des
semiconducteurs. Comme les photons interagissent avec
un semiconducteur via les excitons virtuels auxquels ils
sont couplés, ces applications de fait couvrent de
nombreux effets d’optique non linéaire : mélange à 4
ondes, effet Faraday en géométrie pompe-sonde,
manipulation de spin par pulse laser non absorbé,
intrication. Elles touchent donc des domaines « très à la
mode ».
Dans le cas des polymères, notre spécificité est
que nous concevons et réalisons nous-mêmes nos
systèmes expérimentaux. Cela implique un travail
multiforme de Science des Matériaux, en particulier
l’étude de la structure et de la réactivité des monomères
choisis
afin de comprendre le mécanisme de
polymérisation et l’environnement des chaînes de
polymères. Ceci se fait désormais pour partie en
collaboration avec une équipe de chimistes de
Montpellier avec lesquels nous avons mis au point et
étudié un nouveau PDA. Une des questions essentielles
est de comprendre le lien entre structure électronique et
conformation ou bien déformation des chaînes. Dans ces
chaînes il est apparu que l’état excitonique est en
« couplage fort » avec la lumière et doit être décrit en
terme de polariton.
Etant au sein d’un groupe d’expérimentateurs
travaillant en physique des semiconducteurs, un certain
nombre de nos travaux ont été orientés en vue de
collaborations utilisant les dispositifs expérimentaux
présents au laboratoire. Dans ce cadre, nous pouvons citer
nos travaux sur le trion (1 exciton + 1 électron ou 1 trou)
qui ont abouti à la démonstration expérimentale du fait
que la raie appelée « trion » depuis plus de dix ans ne
pouvait être associée à un trion, mais provenait d’un effet
à N corps subtil entre un exciton et une mer d’électrons.
Nos travaux sur l’effet Faraday dans un semiconducteur
photoexcité sont aussi de cette nature, avec la prédiction
d’un effet Faraday d’un genre nouveau qui est en cours
d’observation. Enfin, nous espérons que nos travaux sur
8
électronique latéral imposé par l’extension du système
conjugué de quelques angströms : elles sont donc d’une
anisotropie inégalée (de l’ordre de 104). Ces fils
quantiques peuvent être parfaitement isolés les uns des
autres au sein du cristal avec une distance interchaîne de
l’ordre du micron. La fluorescence d’origine excitonique
d’un fil quantique unique a pu ainsi être étudiée dans des
expériences de µPL. Nous avons mesuré la largeur
homogène de la raie d’émission et déterminé le temps de
cohérence de l’exciton. L’interaction avec les phonons
acoustiques 3D du monomère environnant gouverne cet
élargissement homogène. L’analyse de la fluorescence
nous a permis de démontrer que ce fil quantique
organique se comporte comme un système
semiconducteur parfaitement 1D : le vecteur d’onde de
l’exciton appartient à une bande d’énergie associée à une
densité d’états caractéristique variant comme l’inverse de
la racine carré de son énergie. Cette caractéristique se
retrouve dans la variation du temps de vie radiatif de
l’exciton en racine carrée de la température, comme
prévu théoriquement.
2-a) Gaz d'électrons dans un fil quantique
inorganique unique
Nos études sur les fils quantiques non dopés
GaAs/GaAlAs, ont permis de dresser un ensemble de
résultats complets sur leurs propriétés optiques et
électroniques [42]. Avec les progrès de la croissance et
l’obtention de fils quantiques quasi-unidimensionnels, la
réalisation de gaz d’électrons à une dimension est
devenue possible. La physique des gaz d’électrons 1D
touche à des questions fondamentales : la nature des
excitations dans un tel système (individuelles ou
collectives), la statistique des porteurs (liquide de Fermi
ou de Luttinger) ou encore la cristallisation de Wigner
des électrons ou des excitons. Dans des fils en V
GaAs/GaAlAs à modulation de dopage nous avons
observé récemment une forte singularité au niveau de
Fermi [42]. Parallèlement, des résultats préliminaires en
microphotoluminescence (µPL), à basse température, en
fonction de la puissance d’excitation ont montré un
changement brutal dans les caractéristiques des spectres.
En effet, à basse puissance d’excitation, la carte
d’émission d’un fil quantique, montre que les porteurs
sont localisés dans des îlots de 2-3 µm. Cette localisation,
de nature électrostatique, est due aux fluctuations de
potentiel créé par la répartition inhomogène des charges.
Quand la puissance augmente, les spectres changent et de
nouvelles raies d’émission, très fines, apparaissent tout le
long du fil quantique comme le montre la figure 2-1.
Par des expériences de µPL en fonction de la
puissance d’excitation nous avons montré que l’état
excitonique est en « couplage fort » avec la lumière. En
effet l’intensité de la fluorescence d’une chaîne unique
excitée à la résonance sature avec la puissance
d’excitation du laser. Cette mise en évidence sur la chaîne
d’une « transparence induite » en présence d’un fort
champ de photons, indique que la description adéquate du
système doit se faire en termes de « polariton » (état
mixte photon-exciton). Il est remarquable que cet effet se
manifeste sans la présence d’une cavité optique [33].
Une des propriétés remarquables de l’émission
d’une telle chaîne concerne sa répartition spatiale. Nous
avons observé, en spectroscopie-image, que la
fluorescence, excitée localement par une tache laser de 1
µm, s’étend sur toute la longueur de la chaîne qui peut
atteindre 10 à 20 µm. Ceci est illustré sur la figure 2-2.
La répartition spatiale de l’intensité d’émission le long de
la chaîne est indépendante de la position de l’excitation.
Cette étendue « macroscopique » prouve que l’excitation
s’établit très rapidement sur la chaîne (plus de 10 µm en
moins de 100 ps).
Fig. 2-1 : Spectroscopie – image à balayage de
l’émission d’un fil quantique dopé à forte puissance
d’excitation.
Cela se produit pour des densités électroniques de
dopage et de paires électron-trou photocréées voisines de
105-106 cm-.1. Ce comportement est très différent de ce
qui a été précédemment observé dans les fils quantiques
non dopés (thèse Thierry Guillet 2002). Nous pensons
que ces expériences montrent l’existence d’une
organisation périodique des électrons de dopage le long
du fil, signature locale d’une cristallisation de Wigner. En
effet, lorsque l’on augmente la puissance d’excitation, les
paires électrons-trous écrantent les fluctuations du champ
électrostatique résiduel qui existe à cause de la répartition
inhomogène des impuretés ionisées. Les électrons
s’ordonnent, formant une chaîne linéaire de charges
équidistantes. L’exciton photocréé, considéré comme un
dipôle électrostatique, est en interaction avec le champ
créé par les électrons. L’énergie potentielle d’interaction
est en première approximation harmonique, conduisant à
une levée de dégénérescence des niveaux excitoniques en
plusieurs sous-niveaux équidistants.
Energie(eV)
100
90
Fig. 2-2 : Répartition spatiale
de l’intensité de fluorescence
zéro-phonon d’une chaîne
unique de polymère à 10 K.
La flèche représente la
position du laser d’excitation.
Position (µm)
80
70
60
50
40
30
20
2,287
2,285
0
2,283
10
2-c) Cohérence spatiale sur une chaîne unique
2-b) Chaîne de polymère unique : un système
1D quasi-parfait
La répartition spatiale de l’émission d’une chaîne
unique de polymère reflète la probabilité de présence du
centre de masse de l’exciton. La délocalisation spatiale de
l’émission observée dans des conditions expérimentales
où un seul exciton à la fois est présent sur la chaîne,
Les fils quantiques organiques sont constitués de
chaînes dites « rouges » de PDA (3BCMU) (cf § d). Ces
chaînes sont très longues, plus de 20000 unités de
répétition (~ 10 microns), avec un confinement
9
de formation de cet état radiatif cohérent. Nous
développerons ensuite des expériences originales de
contrôle cohérent spatio-temporel.
suggère que sa fonction d’onde est complètement
délocalisée. Pour tester cette hypothèse, nous avons
conçu et réalisé une expérience d’interférences : une
image de la fluorescence a été formée optiquement dans
un plan intermédiaire où une double fente d’écartement
variable a été placée, permettant ainsi de sélectionner
deux points sources distincts spatialement sur la chaîne.
Les franges d’interférences ainsi obtenues, sont de fort
contraste comme le montre la figure 2-3 [34].
Dans un premier temps, notre but est d’observer
la dynamique temporelle de création de cet état avec une
résolution temporelle améliorée (100 fs) par exemple à
l’aide d’une expérience de conversion de fréquence. Puis
nous combinerons cette résolution temporelle à notre
expérience de spectroscopie-image. Pour cela, l’image
agrandie de la chaîne unique sera faite sur un cristal non
linéaire et sondée localement par une impulsion de
lumière ultracourte intense.
Cette expérience démontre que la longueur de
cohérence spatiale de l’état radiatif de la chaîne est
macroscopique. Des mesures réalisées par diffusion de
lumière confirment que la longueur des chaînes est du
même ordre de grandeur que celles obtenues par
imagerie, suggérant que l’état est macroscopique, étendu
spatialement sur toute la longueur de la chaîne. Une telle
cohérence spatiale n’a été observée que dans le cas
d’états collectifs de systèmes composites comme dans les
condensats d’atomes froids, les supraconducteurs ou les
condensats de polaritons en microcavité de
semiconducteurs. Nous sommes ainsi en présence d’une
situation quasi-exclusive où un système expérimental est
l’homologue sur le plan structural d’un objet théorique
idéal, celui d’un monocristal conjugué linéaire.
Cette nouvelle configuration ouvrira la voie à la
manipulation cohérente d’états préparés par des
séquences d’impulsions bloquées en phase. Le contrôle
cohérent peut être envisagé dans des configurations
multiples : excitation par une séquence d’impulsions à la
même position spatiale ou en deux points séparés
spatialement le long de la chaîne, la phase relative de ces
deux impulsions pouvant être contrôlée dans les deux
situations. Des effets d’optique quantique spatiotemporels originaux seront ainsi pour la première fois mis
en évidence.
Les
diacétylènes se prêtent à l’étude des
interactions entre fils quantiques organiques. Des
monomères conduisant à des paires de chaînes parallèles
de géométrie très précise seront préparés à Montpellier, la
distance interchaîne (entre 0,4 et 2 nm) déterminant la
nature (quantique ou électrostatique) du couplage. Nous
étudierons ce couplage, la structure de bande d’exciton
qui en résulte, son effet sur la relaxation des états excités
et les propriétés de cohérence de l’exciton dans ces
systèmes.
2-d) Polymères conjugués : systèmes modèles
expérimentaux
• Structure et réactivité des monomères
En combinant la diffraction des rayons X et des
neutrons (à cause de la réactivité des matériaux sous
faisceau X) nous avons pu étudier la structure des 2
diacétylènes sur lesquels nous avons travaillé jusqu’à
présent, 3BCMU et 4BCMU [46]. Le premier est le
matériau contenant les chaines isolées uniques
fluorescentes étudiées aux §b et c. Ces structures sont
évidemment importantes pour connaître l’environnement
des chaines étudiées, mais aussi pour comprendre le
mécanisme de la réaction de polymérisation à l’état solide
produisant
ces
chaines.
La
réaction
de
photopolymérisation sous UV a été étudiée et un modèle
d’ensemble, expliquant les grandes variations de
réactivité observées, a été proposé [47]. Elles sont aussi
nécessaires pour aborder le problème non résolu des deux
structures
électroniques,
conventionnellement
dénommées « rouge » et « bleue », que peuvent prendre
les PDA. Les différences structurales correspondantes ne
sont pas connues, mais la transition de phase entre elles
est utilisée dans des capteurs biologiques ou chimiques en
cours de développement dans de nombreux laboratoires.
Nous avons discuté de ce problème et proposé un cadre
conceptuel d’ensemble, sur la base de nos résultats
antérieurs [35].
Fig. 2-3 : (a) Franges d’interférences obtenues à partir
de l’émission à 10K de deux points distants de 2µm d’une
chaîne unique de longueur 10 µm. (b) Le contraste des
franges atteint 75%.
L’interprétation donnée concernant la formation
de l’état radiatif est celle de l’étalement d’un paquet
d’onde excitonique sur l’ensemble de la chaîne. A
l’origine, le paquet d’onde est constitué de plusieurs
composantes aux vecteurs d’onde k proches de zéro,
provenant de la nature localisée de l’exciton photocréé.
L’interaction avec les phonons acoustiques de la matrice
de monomère provoque l’étalement ultrarapide du paquet
d’onde initial, en un temps bien inférieur au temps de vie
d’une centaine de picosecondes (à 10 K). Cette
interaction entraîne le déphasage temporel des
composantes k en quelques picosecondes, le temps
caractéristique de cohérence de l’exciton. Leur
superposition conduit alors à une fonction d’onde finale
étalée sur la longueur de la chaîne.
• Nouveaux matériaux
Perspectives : La réalité d’un état de quasi-particule
étendu, spatialement cohérent sur des distances
microniques, étant démontrée, nous souhaitons
maintenant comprendre les mécanismes qui conduisent
au transfert d’énergie intramoléculaire, c’est-à-dire
résoudre temporellement et/ou spatialement la dynamique
Notre collaboration avec l’Université de
Montpellier II a déjà donné des résultats dans trois
domaines :
10
incidente, indépendamment de son épaisseur et de sa
concentration en polymère, dans une gamme spectrale qui
peut recouvrir la presque totalité du spectre de la
transition excitonique et de ses répliques vibroniques. Le
polariton dont la cohérence se construit dans une zone de
surface se propage sans pertes à l’intérieur du cristal sur
une distance supérieure à 400 microns [deux publications
en préparation]. Ces phénomènes sont observés ici pour
la première fois.
- synthèse d’un diacétylène, le THD, et obtention
de poly-THD, un nouveau PDA « rouge ». La mise au
point de ce système rouge fournit le matériau polymère
conjugué nécessaire à l’étude du mécanisme d’influence
réciproque qui lie structures électroniques et
conformations, dans une situation non ambiguë où les
effets du désordre sont absents. La structure « rouge » du
polydiacétylène est nécessairement associée à une
conformation de la chaîne qui n’est pas celle couramment
rencontrée dans les PDA. Le développement d’une phase
de telles chaînes dispersées en matrice permet de
comparer la structure des états électroniques et leur
relaxation dans des isomères conformationnels de
polymères conjugués parfaitement ordonnés ainsi que de
mieux
comprendre
comment
les
corrélations
électroniques s’expriment en fonction des conformations.
Jusqu’à présent nous avons démontré par des
expériences de macro-luminescence et d’électroréflectance que le cristal mixte monomère/polymère du
poly-THD est une phase pure de chaînes à structure rouge
comparables, eu égard à leur niveau d’ordre, aux
meilleures chaînes isolées des cristaux du monomère
3BCMU (voir § b et c). La structure interne de l’exciton
rouge (énergie de liaison, rayon de Bohr) a été
déterminée. Nous avons aussi observé un effet FranzKeldysh intense qui n’avait jamais été observé dans
aucun PDA rouge. Des propriétés génériques de chaînes à
structure rouge sont rassemblées dans une première
publication [65].
Perspectives : Le fait de disposer d’un PDA rouge pur
aux chaînes de très grande qualité cristalline rend
possible par exemple des expériences pompe-sonde ou
d’absorption multiphotonique qui permettraient d’établir
un schéma de l’énergie et de la relaxation des niveaux
électroniques, et de comparer aux chaînes bleues. Par
suite, cela permettrait d’apporter des informations
expérimentales sur la relation entre géométrie et
corrélations électroniques.
2-e) Dynamique des excitons de Frenkel dans
des agrégats de molécules de cyanine
Ce travail de recherche consiste à élaborer et à
développer des modèles théoriques ainsi que des
méthodes
de
simulation
numérique
(matrices
dynamiques, matrices de transfert, simulation Monte
Carlo) pour étudier le transfert et le piégeage d'excitons
dans ce type d’agrégats. Les agrégats de molécules de
cyanine sont des systèmes moléculaires organisés ayant
des propriétés remarquables telles que des bandes
d’absorption et de fluorescence étroites ainsi que des
durées de vie radiative courtes. Un modèle, basé sur des
simulations numériques, est développé pour analyser le
piégeage et le transfert de l’énergie d’excitation dans ces
systèmes pour différentes configurations géométriques.
Les agrégats, de taille finie, sont caractérisés par de fortes
interactions intermoléculaires dues au couplage entre les
dipôles de transition et leurs états excités sont décrits par
des excitons de Frenkel. Pour une configuration donnée,
les interactions intermoléculaires sont calculées par la
méthode du dipôle étendu et les états excitoniques sont
obtenus par diagonalisation numérique du Hamiltonien de
l’agrégat en tenant compte du désordre statique. La
densité et le spectre d’absorption des états excitoniques
sont alors simulés. Un modèle de couplage excitonphonon est utilisé pour décrire le transfert d’énergie entre
les états excitoniques de l’agrégat. Les taux de transfert
sont calculés et utilisés dans une équation maîtresse pour
obtenir l’évolution temporelle des populations d’excitons
après excitation initiale. Ceci permet d’obtenir les
spectres de fluorescence ainsi que les décroissances
temporelles de la fluorescence. Ce modèle est utilisé pour
simuler les propriétés spectrales d’agrégats comme par
exemple celles des chaînes 1D de pseudoisocyanine, d’un
mélange 2D d’oxacyanine et de thiacyanine ou encore
celles d’un cylindre constitué par des phases hexagonales
de chaînes 1D de pseudoisocyanine. Ces simulations sont
comparées aux résultats expérimentaux sur les propriétés
de luminescence de ces agrégats moléculaires.
- synthèse d’analogues de THD, dans le but de
comprendre
la
relation
structure-réactivité,
et
éventuellement de découvrir un autre PDA “rouge” [une
publication en cours de rédaction].
- synthèse et étude d’un PDA polycation, le
premier polymère de ce type [une publication soumise].
• Effet d’une contrainte uniaxiale sur la structure
électronique
La structure électronique des polymères
conjugués (systèmes 1D) est très sensible à une
déformation de la chaine. La transition rouge-bleu en est
certainement un exemple. La variation des paramètres du
cristal de 4BCMU avec T [48] engendre une compression
uniaxiale des chaines isolées qui dépasse 3 % à 15 K.
Nous avons étudié leur absorption, émission et diffusion
Raman de résonance, en fonction de T et nous montrons
que la déformation ne produit pas la transition R-B : la
chaine reste plane (bleue), malgré la rotation des groupes
latéraux. Un modèle simple de chimie quantique rend
compte des variations spectrales. La transition rouge-bleu
correspond donc à un autre type de déformation.
• Forte interaction exciton-photon : polariton dans les
ensembles dilués de PDA
On a vu au § b) qu’à forte intensité incidente
l’absorption d’une chaine unique se sature, en relation
avec l’approche du régime d’oscillations de Rabi.
Dans des monocristaux de monomère contenant
un ensemble de chaines bleues diluées (10-4 à 10-2 en
masse), on constate qu’au dessous de 150 K l’absorption
sature sous un très faible flux de photons (20 nW). Il se
forme un polariton transmis sans atténuation dans le
cristal, sans qu’il ait à être placé dans une cavité.
L’origine en est le très grand dipôle de transition d’une
chaine, associé à la cohérence de l’exciton, mis en
évidence par ailleurs dans les chaines rouges (§ c). Un
cristal transmet alors environ 1 à 3 % de la lumière
3) Cohérence
d'excitons et de spins
et
manipulation
d'états
Bernardot Frédérick, Chamarro Maria, Grousson Roger,
Testelin Christophe, Voliotis Valia, Tribollet Jérôme
(doctorant), Aubry Emilie (doctorante), Melet Romain
(doctorant), Eble Benoît (post-doc)
Références : [4], [20], [37], [53], [54], [55], [C12],
[C14], [C15], [C16], [C17], [C18], [C19]
11
liées aux systèmes étudiés (couplage hyperfin,
anisotropie d'échange électron-trou, anisotropie du
facteur de Landé électronique).
Une activité importante de notre équipe a porté sur
la dynamique et la cohérence d'états excitoniques ou de
spins, localisés dans les trois directions (confinement
0D). Nous appuyant sur nos compétences techniques,
nous avons développé de nouvelles expériences mettant
en évidence les propriétés de cohérence temporelle de ces
différents états électroniques, qui peuvent être considérés
comme des "bits quantiques" modèles. Les qubits,
idéalement des systèmes à deux niveaux, doivent
conserver leur cohérence de phase le plus longtemps
possible si l’on souhaite les utiliser comme support pour
le calcul quantique. Le problème évident pour les
systèmes en matière condensée, est l’interaction entre la
nanostructure et son environnement. Il est donc important
d’étudier et comprendre les mécanismes de déphasage
limitant le temps de cohérence, de façon à pouvoir
éventuellement les maîtriser.
Si une partie importante de nos résultats a été
obtenue par l'étude d'un ensemble de nano-objets
(excitons, spins électroniques), de nouvelles expériences
ont récemment permis d'isoler des nano-objets
individuels (NOI), ce qui permet de s'affranchir des effets
d'inhomogénéité.
Fig. 3-1. Dichroïsme linéaire photoinduit pour des boîtes
quantiques InAs/GaAs émettant à 1,32 eV, pour une pompe
polarisée linéairement verticalement (horizontalement) selon
l'état propre excitoniques X (Y).
Si les boîtes quantiques InAs ont fait leur preuve
dans la génération de photons uniques, la génération de
paires de photons intriqués se heurte à l'existence de ces
deux états excitoniques X et Y séparés en énergie. La
compréhension de la structure fine de l'exciton est donc
un enjeu important. Nos travaux se sont appuyés sur une
expérience pompe-sonde de rotation Faraday ou de
dichroïsme photo-induit résolu en temps, à l'échelle
picoseconde.
Ces études nécessitent de pouvoir manipuler et
contrôler l’état d’un NOI très rapidement à l’échelle de
son temps de cohérence, par des expériences dites de
« contrôle cohérent ». La réalisation de ce type
d’expériences constitue la clé pour tout éventuel
traitement quantique de l’information, où l’on utilise des
bits quantiques qui sont matérialisés dans les
nanostructures de semiconducteurs par les niveaux
excitoniques ou les niveaux de spin électronique.
Dans un premier temps, nous avons quantifié la
différence de force d'oscillateur entre les transitions
mettant en jeu les états X et Y. Nous avons ainsi mesuré
le dichroïsme linéaire photo-induit pour une excitation
polarisée linéairement selon X et Y (cf. figure 3-1). Dans
le cadre d'un modèle développé par notre équipe, nous
avons montré que le rapport des forces d'oscillateur
pouvait se déduire indépendamment de l'amplitude des
courbes expérimentales ou de leur décroissance
temporelle. Dans la gamme d'énergie considérée 1,3 – 1,4
eV, nous avons obtenu un rapport des forces d'oscillateur
quasi constant, égal à 0,85 ± 0,05 indépendamment de la
méthode d'analyse utilisée [37, C14].
3-a) Excitons dans une boîte quantique
En raison du confinement tridimensionnel et de la
discrétisation des états électroniques, il est possible de
définir au sein d'une boîte quantique un système à deux
niveaux. Un premier qubit possible est le système formé
par l'état fondamental et un état excitonique de plus basse
énergie. Une autre possibilité est de considérer les deux
états excitoniques de plus basse énergie, dont la
dégénérescence est levée par l'interaction d'échange
électron-trou anisotrope.
• Excitons confinés dans des boîtes quantiques autoassemblées InAs
Nous avons ensuite réalisé des mesures de
dichroïsme dynamique induit par une excitation créant
une superposition cohérente des états X et Y. Il apparaît
alors un signal dichroïque oscillant à la fréquence ω1 ,
hω1 étant l'écart énergétique entre les états X et Y (fig. 32) [37].
Nous nous sommes intéressés à des boîtes
quantiques (BQ) auto-assemblées InAs dans une matrice
GaAs, obtenues par épitaxie par jet moléculaire. Les
propriétés électroniques de ces boîtes sont très
dépendantes de leur anisotropie de forme : très aplaties
selon l'axe de croissance Oz, ces boîtes possèdent une
forme de lentille anisotrope dans le plan de croissance.
Sous l'effet de l'interaction d'échange électron-trou, la
dégénérescence des deux états excitoniques de plus basse
énergie J z = ±1 est levée, et les règles de sélection
optique sont profondément modifiées car les deux
nouveaux états excitoniques fondamentaux, notés X et Y,
sont associés à des polarisations linéaires alignées selon
les axes cristallographiques privilégiés, et peuvent être
définis par leur moment cinétique dans le plan des BQ
J x = ±1 . Au delà de l'étude des processus d'injection,
de relaxation ou de décohérence du spin, nous avons pu
mettre en évidence des propriétés électroniques originales
Nous avons ainsi déterminé la dépendance du
dédoublement excitonique en fonction de l'énergie de
transition (fig. 3-2). La dépendance observée s'est avérée
en désaccord avec les prédictions théoriques d'alors. En
collaboration avec R. Ferreira (LPA-ENS), nous avons
étudié l'importance de l'effet piézoélectrique et des
contraintes sur les états X et Y. Cette étude a permis de
rendre compte quantitativement de la dépendance du
dédoublement excitonique en fonction de la taille des
boîtes quantiques [C17,C19]. Une bonne compréhension
de cet effet est importante si l'on souhaite contrôler ce
dédoublement et générer des paires de photons intriqués.
12
objet d’intérêt dans un guide optique. Pour la réalisation
de ces expériences un cryostat spécifique à quatre accès
optiques pour la microphotoluminescence a été conçu au
laboratoire. Ce thème constitue le sujet de thèse de
Romain Melet. Afin de valider cette approche
expérimentale, nous avons étudié des boîtes quantiques
formées à partir de défauts d'interface d’un fil quantique,
inséré dans un guide d'onde. Le système à deux niveaux
considéré est constitué du niveau fondamental de
l’exciton dans la boîte et du niveau du vide. La figure 3-3
montre le spectre de microphotoluminescence (µPL)
obtenu sous excitation résonante d'une telle boîte
quantique unique. Ces structures ont été étudiées par le
passé dans l’équipe et les boîtes quantiques sont
parfaitement caractérisées (potentiel de confinement,
temps de vie, temps de relaxation, tailles) [42].
Fig. 3-2. (a) Dichroïsme dynamique photoinduit pour des boîtes
quantiques InAs/GaAs émettant à 1,32 eV, pour une pompe
polarisée linéairement, à 45° des polarisations X et Y, ou
polarisée circulairement. La pompe génère une superposition
cohérente, respectivement X + Y et X + iY; la différence de
phase est à l'origine d'une oscillation variant comme cos(ω1 t)
ou sin(ω1 t) . Il apparaît une décroissance exponentielle ( ≈ 20
ps) induite principalement par l'inhomogénéité de la pulsation
ω1 .(b) Dépendance de l'écart énergétique entre les états
excitoniques linéaires X et Y en fonction de l'énergie d'émission.
En collaboration avec le LNMO (INSA de
Toulouse), nous avons également étudié l'effet d'un
champ magnétique sur les états X et Y, et la possibilité de
manipuler ces états J x = ±1 . En effet, l'interaction
d'échange électron-trou anisotrope est équivalente à un
champ magnétique effectif aligné dans le plan de
l'échantillon, de pulsation associée ω1. En présence d'un
champ magnétique extérieur aligné perpendiculairement
au plan des boîtes quantiques (de pulsation Ωz), le spin
des excitons, soumis à un champ magnétique effectif
oblique, précesse hors du plan avec une pulsation
Fig. 3-3 : (a) Spectre de microluminescence à basse température
montrant l’émission d'une boîte quantique unique formée à
partir d’un défaut d’interface GaAs/GaAlAs. L’excitation guidée
est résonante avec la raie d'émission de la boîte. La µPL est
détectée perpendiculairement à l’axe du guide. La largeur de la
raie est homogène et correspond à un temps T2 de 10 ps (b)
Oscillation de Rabi en fonction de l'intensité d'excitation et de
l'angle Rabi équivalent, pour une boîte quantique unique formée
par un défaut d’interface.
Ω = ω12 + Ω 2z
dépendant du champ appliqué. Cette
précession se traduit par des battements quantiques
comparables à ceux observés sur la figure 3-2, et de
pulsation variable avec le champ. La dépendance en
champ a permis de déterminer le facteur de Landé
excitonique parallèle à l'axe de croissance, gex = 2,5 [20,
C15]. Cette expérience met en évidence la manipulation
des états J x = ±1 par un champ magnétique.
Dans ces défauts d'interface, nous avons mis en
évidence des oscillations de Rabi entre l'état du vide et
l'état excitonique. La figure 3-3 montre des oscillations
sur une boîte unique jusqu’à 5 π [C12]. Le régime
d’oscillation de Rabi est obtenu sur une boîte quantique
unique, grâce au ralentissement de la vitesse de groupe de
la lumière attendu dans une expérience d’interaction
lumière – matière résonnante et intense. L’idée physique
de cet effet de ralentissement est la création d’un « trou
spectral » très étroit dans le spectre homogène
d’absorption créant ainsi une fenêtre de transparence,
dans laquelle le ralentissement se produit. Les relations
de Kramers-Krönig, nous disent alors que ce trou spectral
se traduit par une dispersion très importante de l’indice
de réfraction à la fréquence de résonance, ce qui induit
d’une part un blanchiment, ainsi qu’une diminution très
forte de la vitesse de groupe de la lumière. Ce travail, non
encore publié, constitue la première observation
d’oscillations de Rabi avec détection optique sur une
boîte quantique unique.
Enfin, une étude de la transmission différentielle
linéaire a confirmé le gel de la relaxation du spin de
l'exciton sur des temps longs (≈ 20 ns), tout en mettant en
évidence un processus de relaxation partielle du spin au
temps court (t ≈ 10-40 ps) [C16]. A basse énergie, pour
les BQ de plus grande taille, le taux de polarisation
diminue rapidement pour se stabiliser à ≈ 60 % aux temps
longs. L'efficacité de ce processus de relaxation augmente
à plus haute énergie, dans des conditions d'excitation qui
permettent l'injection de porteurs dans des états excités
ou mixtes, favorisant la présence de porteurs libres dans
la couche de mouillage. Ce résultat soulève la question
d'un environnement électrostatique capable de perturber
la polarisation de spin aux temps courts, avant
localisation des porteurs libres par les boîtes.
Perspectives : La prochaine étape consistera à étudier de
façon résonnante des boîtes quantiques auto-organisées
d'InAs/GaAs en collaboration avec le LPN. Ces boîtes
possèdent plusieurs avantages en comparaison avec les
boîtes issues de défauts d’interfaces étudiées jusqu’à
présent : le confinement y est bien plus important, leur
temps de cohérence (T2) est plus long et les techniques de
croissance permettent un bien meilleur contrôle de leur
taille et donc de leurs propriétés électroniques ainsi que
de leur répartition spatiale dans l’échantillon. L’émission
d’une boîte quantique unique d'InAs dans cette géométrie
a déjà été réalisée sur une première structure, par
• Exciton unique confiné dans une boîte quantique
d'interface : vers le contrôle cohérent
Dans une boîte quantique, la transition
fondamentale est a priori celle qui est la plus isolée de
l’environnement, c’est ainsi le niveau qu’il faut pouvoir
contrôler de manière cohérente. Cependant les études à la
résonance constituent un défi expérimental important.
Nous avons donc imaginé une géométrie originale qui
permet d’exciter dans une direction le nano-objet
individuel et détecter son émission dans une direction
perpendiculaire. Cela est possible en immergeant le nano-
13
excitation d’un état excité de la boîte. La réussite des
expériences à la résonance nécessite une très grande
qualité au niveau des interfaces du guide de façon à
éviter au maximum la diffusion du laser. L’amélioration
des structures guidantes (notamment au niveau de la
rugosité des surfaces gravées) est maintenant nécessaire
pour passer à l’excitation résonante du niveau
excitonique d’une boîte unique.
dessous de la transition de Mott. Nous avons alors
comparé la dynamique de spin électronique dans deux
puits quantiques CdTe/CdMgTe, de concentrations de
dopage similaires (≈ 1011 cm-2) et ne se différenciant que
par le confinement des porteurs, 2D ou 0D. Nous avons
observé une augmentation du temps de relaxation de 2
ordres de grandeur, ainsi qu'une forte augmentation du
temps de cohérence lorsque le confinement de l’électron
passe de 2D à 0D (fig. 3-4) [53, C18].
Le contrôle cohérent sera réalisé en utilisant des
impulsions courtes (picosecondes) bloquées en phase,
pour venir pomper puis sonder l’état fondamental, très
rapidement à l’échelle de son temps de cohérence. En
mesurant l’amortissement des oscillations de la
luminescence intégrée d’une boîte en fonction du délai
entre les deux impulsions, nous pourrons déduire le
temps de cohérence du niveau fondamental de l’exciton.
B= 0.60 T
Faraday angle (arb units)
2D electron gas
Nous
proposons
d’étudier
l’effet
de
ralentissement de la lumière dans notre expérience
d’optique guidée en mesurant le retard à la propagation,
soit de l’impulsion picoseconde elle-même, soit d’une
deuxième impulsion sonde, décalée en temps. Ce retard
dépend du produit de la largeur spectrale de la
transparence et de la durée de l’impulsion. Cet effet,
augmentant le temps d’interaction lumière – matière, est
un facteur déterminant dans l’obtention d’un couplage
fort dans nos expériences.
Donor inside QW
0
400
800
1200
Pump-probe delay time (ps)
Fig. 3-4. Signal Faraday photoinduit en fonction du retard
pompe-sonde, en configuration Voigt (champ magnétique
transverse) à 2 K pour (haut) un gaz d'électrons bidimensionnel
(bas) des électrons localisés sur un donneur. Ce signal,
proportionnel à la composante de spin parallèle à l'axe optique,
met en évidence la précession du spin électronique et permet la
détermination du temps de cohérence.
Une des particularités de notre géométrie est
de nous permettre l’excitation de plusieurs boîtes
quantiques. En effet, l’excitation se propageant sur toute
la longueur de l’échantillon le long du guide d’onde, il
est possible d’exciter plusieurs boîtes quantiques
séparées spatialement et de détecter leur luminescence.
Nous étudierons ainsi les mécanismes d’interaction entre
les boîtes (interaction dipôle - dipôle, mécanismes
d’échange de Pauli) en nous basant sur des résultats
théoriques élaborés au sein de l’équipe [38]. En tirant
parti de ces interactions, l’intrication de deux boites
quantiques sera explorée, ce qui constitue une étape
nécessaire à tout développement futur en information
quantique.
Les temps caractéristiques de la dynamique de
spin étant supérieurs à la période du laser (Tlaser = 13 ns),
nous avons mis en œuvre des techniques d'amplification
de spin (fig. 3-5). Par analogie avec un oscillateur forcé,
lorsque la fréquence d’oscillation forcée est égale à la
fréquence propre de l’oscillateur, des phénomènes
d’amplification à la résonance apparaissent. De la largeur
des pics de résonance obtenus en accordant la fréquence
de précession de spin et la fréquence du laser, on
détermine plus précisément les temps T1 et T2.
2
t = - 67 ps
1.5
3-b) Spin
T1 = 15 ns
1
L'excitation en lumière polarisée de paires
électron-trou permet de polariser les spins des électrons
dans une nanostructure. Cependant, cette approche ne
permet pas de conserver ce spin au-delà du temps de vie
de la paire (≈ 1 ns). C'est pourquoi nous avons choisi
d'étudier deux systèmes dopés, contenant un électron
résidant portant l’information de spin: un donneur Iode
placé dans un puits quantique CdTe/CdMgTe et une boîte
quantique InAs dopée n.
0.5
0
-0.5
-1
-10
-5
0
5
10
B (mT)
Fig. 3-5. Dichroïsme circulaire photo-induit en fonction du
champ magnétique appliqué, en configuration Voigt. Ce signal
est proportionnel au spin électronique à t = 12.9 ns. Il apparaît
clairement des pics de résonance correspondant à la condition
Ωprécession = n Ωlaser.
• Spin électronique localisé sur un donneur
Nos premiers travaux sur les gaz d'électrons
bidimensionnels ont montré qu'il était possible de
polariser un gaz d'électrons libres via l'excitation de
trions polarisés, en tirant profit de la relaxation du spin du
trou photo-créé. La mise en évidence de ce mécanisme
nous a ainsi permis de déterminer les temps de relaxation
(T1 = 220 ps) et de décohérence (T2 = 200 ps) du spin
électronique dans un puits CdTe/CdMgTe dopé par
modulation de dopage [4].
Les électrons étant localisés, les processus liés au
déplacement des porteurs (D'yakonov-Perel, Elliot-Yafet)
ne sont plus efficaces; le temps de relaxation de spin est
alors gouverné par l'anisotropie d'échange et le couplage
hyperfin entre spin électronique et moment magnétique
des noyaux. Bien que nettement plus faible dans les
composés II-VI que dans les matériaux III-V, le couplage
hyperfin nous a permis d'orienter le spin des noyaux sous
excitation optique polarisée circulairement et en l'absence
de champ extérieur. Ceci ayant pour effet de ralentir la
relaxation des spins électroniques, nous avons observé
une augmentation du temps de relaxation, T1 passant de
20 à 38 ns. Dans le même temps, nous avons pu mettre en
Afin de s'affranchir des processus de relaxation
induits par la diffusion des porteurs, nous avons
considéré des donneurs localisés dans un puits quantique
et porteurs d'un électron. La concentration de donneurs a
été maintenue suffisamment faible pour rester isolant, en
14
évidence la polarisation des spins nucléaires (jusqu'à 13
%) soumis à un champ électronique photoinduit, grâce au
long temps de vie de la polarisation des spins
électroniques.
cohérence supérieurs à la nanoseconde. Sur la base de
ces travaux, nous comptons développer deux axes de
recherches complémentaires dans les systèmes dopés :
l'observation d'un spin unique et la manipulation optique
du spin électronique.
Enfin, des premières études en puissance ont mis
en évidence l'établissement d'un régime d'oscillation de
Rabi lors du pompage optique polarisé.
L'étude d'un spin unique se justifie par le besoin de
s'affranchir des inhomogénéités qui réduisent fortement
le temps de cohérence apparent T2* lorsque l'on étudie un
ensemble de spins. Il a été ainsi récemment montré, pour
un ensemble de BQ dopées n, qu'une sélection plus
homogène des BQ étudiées, permettait d'accroître T2* de
10 ns à 2 s. Des valeurs plus grandes sont attendues
pour un spin unique. Ce projet pourra s'appuyer sur les
compétences de notre équipe en microphotoluminescence
et dans l'observation d'objets uniques, et sur une
collaboration avec A. Lemaître du LPN et J.M. Gérard
du SPEC-CEA-Grenoble, en vue de la réalisation de
structures à microcavité ou micropilier.
Le second axe de recherche consistera à remplacer
l'action d'un champ magnétique constant par un
processus mettant en jeu une impulsion de lumière
polarisée, afin de contrôler la manipulation du spin
électronique via une précession photoinduite ultrarapide
(subpicoseconde). Ce projet pourra s'appuyer sur des
travaux théoriques récemment développés à l'INSP [17]
et qui suggèrent d'utiliser l'effet Stark optique pour
induire une précession contrôlée du spin électronique.
Cette proposition pouvant être réalisée sur un ensemble
de spins, ce projet se développera parallèlement à l'étude
d'un spin unique.
• Spin électronique confiné dans une boîte quantique
Un autre système prometteur en vue d'une
inscription de spin et de sa manipulation, est constitué par
un électron confiné dans une boîte quantique (boîte InAs
dopée n à un électron). A la différence d'électrons
localisés sur des donneurs, ceux-ci ne peuvent pas être
orientés optiquement au-delà du temps de vie des trions
(≈ 600 ps), sous excitation résonante à champ nul. Lors
de l'excitation polarisée, la polarisation des électrons de
dopage est causée par deux processus en compétition : la
cohérence stimulée, induite par l'excitation optique, et la
cohérence spontanée, due à la recombinaison des trions.
En l'absence de relaxation des trous, comme observé dans
des boîtes quantiques InAs, ces deux processus
s'annihilent et aucune polarisation de spin n'est induite
après désexcitation des trions. Nous avons montré qu'en
présence d'un champ magnétique transverse, il est
possible d'annihiler la cohérence spontanée, ce qui
conduit à une polarisation des spins électroniques, dont la
précession apparaît clairement sur la figure 3-6, qui
présente le signal de dichroïsme circulaire mesuré sur un
ensemble de boîtes à un électron. L'analyse de ces
courbes donne directement accès au facteur de Landé de
l'électron confiné ainsi qu'à son temps de cohérence
inhomogène T2* ≈ 1 à 3 ns, entre 0,5 et 1,4 T.
4) Excitations de spin des gaz d’électrons
bidimensionnels polarisés
Perez Florent, Jusserand Bernard, Aku-leh Cynthia(postdoc)
Références : [8], [29], [56], [C41], [C45], [C46], [C47],
[C48], [C49], [C50], [C51]
Une étude en fonction de l'angle du champ
Nous avons démontré que la spectroscopie Raman
électronique résonante pouvait être appliquée avec succès
à l’étude des excitations électroniques d’un gaz
d’électrons dégénéré dans d’autres nanostructures dopées
que le système modèle GaAs/GaAlAs, où elle a été
abondamment utilisée, y compris dans les conditions
d’effet Hall quantique entier ou fractionnaire [A. Pinczuk
et al., Phys. Rev. Lett. 68, 3623 (1992)] et où nous
disposions d’une décennie d’expérience [B. Jusserand, F.
Perez, Images de la Physique 2002]. En l’appliquant avec
succès à des puits dopés n du semiconducteur magnétique
dilué Cd1-xMnxTe, nous avons ouvert l’accès à l’étude des
excitations de retournement de spin dans les gaz 2D
paramagnétique à fort taux de polarisation en spin, où la
dégénérescence de spin est levée avec quantification de
l’orbite négligeable. L’effet Zeeman géant associé à la
présence des ions magnétiques de manganèse permet
d’obtenir avec des champs magnétiques modérés des
levées de dégénérescence Zeeman de quelques meV
comparables aux énergies de Fermi du gaz dégénéré et
directement mesurables en spectroscopie Raman. Le
faible champ appliqué dans le plan du puit rend la
quantification orbitale négligeable. L’intérêt d’un tel
système est double: (1) il est la réalisation expérimentale
d’un système modèle pour l’étude des interactions de
Coulomb résolues en spin et des excitations qui en
résultent, (2) il appartient au grand ensemble des
semiconducteurs
magnétiques
dilués,
dont
le
ferromagnétisme assisté par porteurs à température
Fig 3-6. Evolution temporelle du dichroïsme circulaire mesuré
sur un ensemble de boîtes quantiques InAs contenant un
électron, à 1,32 eV et 2K. La courbe à champ nul a un temps de
décroissance de 600 ps, alors que la précession de spin
apparaît clairement sous champ magnétique et dure au-delà de
1,2 ns.
magnétique par rapport à l'axe de croissance, nous a
permis de déterminer à la fois les facteurs de Landé
perpendiculaire g⊥ = 0,397 et parallèle g// = 0,18, pour
des boîtes InAs émettant à 1,32 eV. Ces résultats
complètent ceux obtenus par d'autres équipes, sur de plus
grosses boîtes, émettant à plus basse énergie, et valident
des prédictions théoriques récentes [55].
Perspectives : Nos derniers travaux ont montré qu'il était
possible de polariser le spin d'un électron résidant
confiné pendant des temps longs (1 à 20 ns selon le
système considéré), de le lire et de le manipuler à l'aide
d'un champ magnétique tout en conservant des temps de
15
Energy (meV)
ambiante a été prédit et constitue un champ de recherche
très actif.
Cynthia Aku-Leh, post-doctorante, a été recrutée
sur ce projet, entre mars 2005 et juillet 2007 dans le cadre
d’un contrat de collaboration bilatérale avec D. Richards
et D. Wolverson des universités de Londres et de Bath.
Durant les quatre années passées, nous avons validé le
concept (1) sur la base d’échantillons d’excellente qualité
réalisés spécialement par G. Karczewski, de l’Institut de
Physique de l’Académie des Sciences à Varsovie, avec
lequel l’équipe Nanostructures a une longue expérience
de collaboration. Nos premières mesures réalisées dans
un cryostat à géométrie fixe ne permettaient pas l’analyse
fine des dispersions. Depuis septembre 2004, nous avons
développé en interne un cryostat à bain d’hélium
superfluide dans lequel la rotation de l’échantillon se fait
suivant deux axes, l’ensemble du support tournant (voir
photo) étant placé au centre d’une bobine
supraconductrice de champ maximal 5T. Ce dispositif,
opérationnel depuis janvier 2006, est à notre
connaissance le seul au monde qui
permette de varier continûment
l’angle d’incidence des photons
autour du plan du gaz tout en
maintenant le champ magnétique
fixé dans ce plan et de mesurer la
dispersion des excitations de spin à
champ magnétique fixé.
4,5
SFW
*
Z
3,0
SF-SPE
1,5
Z (b)
0,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2.0
1.9
1.8
1.7
B (Tesla)
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
[x(σπ)x]
0.8
0.7
0.6
y x z
0.5
0.4
2D
0.3
r
EG
0.2
B
0.1
0.0
(a)
0,1
•
1,5
3,0
Raman shift (meV)
4,5
Fig. 4-1 : Spectres Raman croisés à q=0 en fonction du champ
magnétique. La raie fine est l’onde de retournement de spin
(SFW) d’énergie Z(B), la raie plus large est l’excitation
individuelle (SF-SPE) d’énergie Z*.
-1
Energy (meV)
6,0
q (µm )
0.0
1.4
2.8
*
Z
(1)
5,0
SF-SPE
4,0
(2)
4.2
5.5
6.8
8.1
3,0
Z
2,0
0
3
6
-1
q (µm )
9
12
15
9.3
10.4
11.4
12.4
13.3
SFW
Principaux résultats :
14.7
Voigt, B=2.0 T
11
-2
densité: 2.8 10 cm
• Observation pour la première fois des excitations de
renversement de spin dans un puits dopé n contenant
1.6% de manganèse et démonstration qu’à vecteur d’onde
q nul, l’excitation collective (onde de spin transverse)
vérifie le théorème de Larmor [8, C46]
SF-SPE (1)
polarisation: 23%
(2)
0,5
1,5
3,0
4,5
6,0
Raman shift (meV)
Fig. 4-2 : Spectres Raman dépolarisés à B=2.0 T en fonction du
vecteur d’onde q montrant l’onde de retournement de spin
(SFW) qui disperse ainsi que le développement du continuum
d’excitations individuelles (SF-SPE). En insert, reconstruction
des dispersions qui sont comparées à celles théoriques (sans
ajustement)
• Développement d’une théorie du renforcement du taux
de polarisation en spin et définition d’un domaine
[concentration en manganèse-densité d’électrons] dans
lequel le taux de polarisation de spin est maximal tout en
étant compatible avec une mobilité élevée (densité de
porteurs suffisante et peu de manganèse). Obtention
d’échantillons optimisés remplissant ces conditions (0.8%
de Mn, densité d’électrons 2 1011cm-2).
• Elaboration d’un modèle théorique des fonctions de
réponses résolues en spin avec corrélations (formalisme
de la densité locale de spin). Détermination théorique des
dispersions et des spectres Raman. Séparation de la
réponse transverse (excitations de retournement) et de la
réponse longitudinale (plasmon, onde de densité de spin)
[C45].
• Mise en lien du modèle théorique avec le renforcement
de la susceptibilité de spin, première confrontation avec
des mesures effectuées sur un gaz de trous lourds
polarisés étudié à Grenoble [29].
• Détermination expérimentale de la dépendance en
champ magnétique et de la dispersion en vecteur d’onde
q des excitations individuelles et collectives de
retournement de spin sur les échantillons optimisés avec
le cryostat à résolution angulaire (Fig. 4-2) [C51].
• Mise en évidence expérimentale, à q=0 de la
coexistence d’excitations individuelles et de l’onde de
spin (Fig. 4-1). Les premières sont dégénérées à l’énergie
Z*, la séparation Zeeman Z renormalisée par les
interactions d’échange et de corrélation. Démonstration
de la relation du rapport Z*/Z avec le renforcement de la
susceptibilité de spin et mesure du renforcement en
fonction du taux de polarisation sur les échantillons
optimisés. Discussion autour de la renormalisation de la
masse dépendante du spin [56, C47, C49].
Perspectives : A court terme : finalisation de l’étude
complète des excitations dans les échantillons actuels.
• Identification du couplage entre l’onde de spin
transverse et les excitations individuelles de
retournement. Ce couplage que nous avons observé
dépend du vecteur d’onde et du taux de polarisation. Il a
un retentissement sur le temps de vie de l’onde.
• Elaboration d’une méthode cohérente de détermination
de l’ensemble des paramètres physiques (densité
d’électrons, concentration de manganèse, énergies
Zeeman, taux de polarisation) des gaz 2D polarisés par
mesures
comparées
de
photoluminescence
et
spectroscopie Raman avec et sans champ magnétique
appliqué [C48, C50].
• Etude de la réponse longitudinale, des mesures tout à
fait nouvelles de ces excitations collectives sont en cours.
A moyen terme : modes couplés.
16
• Pour de faible concentration de manganèse (0.2%), et
pour un champ magnétique particulier (8T), un couplage
apparaît entre les excitations de retournement des
électrons du manganèse et ceux de conduction du puit [F.
J. Teran et al., Phys. Rev. Lett. 91, 077201 (2003)]. Nous
allons remplacer le solénoïde existant (5T) afin
d’atteindre la situation de couplage et explorer la
dispersion en vecteur d’onde des modes « mixtes » de
retournement Mn-électrons.
submonocouche, couches de Langmuir polarisées,
supraconducteurs de type I, fluides magnétiques...
L'apparition de domaines résulte d'une compétition entre
des interactions à courte portée (associées à une énergie
d'interface positive) et des interactions (magnétiques,
élastiques, électro-statiques) à longue portée entre les
domaines. Sur ces structures auto-organisées, les
principales problématiques portent sur les propriétés
statiques (les structures sont-elles à l'équilibre, comment
modéliser les interactions mutuelles ?) et sur les
mécanismes de formation des domaines (quelles sont les
contributions des instabilités de forme et les instabilités
dynamiques ?). Dans ce contexte, nous avons étudié deux
systèmes physiques différents : des films minces
supraconducteurs de type I et des couches épitaxiées de
semiconducteur ferromagnétique.
A moyen-long terme : réduction de la dimensionnalité et
dynamique.
• Nous étendrons l’étude des excitations de
retournement de spin à des fils quantiques obtenus par
lithographie électronique et gravure RIE latérale des
échantillons étudiés précédemment (collaboration Institut
Néel). Nous espérons quantifier les ondes de densité de
spin (« ondes longitudinales ») qui se désintriqueront du
continuum des excitations individuelles. Cela permettra
aussi un accès à la cohérence dans le plan des excitations
de retournement de spin et pouvoir coupler à la lumière
des excitations de vecteur d’onde beaucoup plus élevé.
5-a) Supraconducteurs de type I
Dans les supraconducteurs de type I, les structures
auto-organisées forment ce qui est communément appelé
l'état intermédiaire. Ce dernier est constitué de domaines
à l'état normal portant du flux magnétique et de domaines
supraconducteurs totalement diamagnétiques.
• Nous avons proposé la génération d’ondes de
retournement de spin par Raman stimulé impulsionnel
pour introduire conceptuellement cette onde comme
support pour le transport d’information sans
déplacement de charge. Cette idée nouvelle inspirée de la
démonstration du mécanisme de génération publiée
récemment sur un puits quantique non magnétique [J.M.
Bao et al., Phys. Rev. Lett. 92, 236601 (2004)] a été
déposée sur un projet ANR 2007 (accepté), coordiné par
Florent Perez, dont les partenaires impliqués sont
l’équipe de Denis Scalbert au GES, Montpellier et celle
de Henri Mariette de l’Institut Neel, Grenoble. Nous
projetons de démontrer la manipulation temporelle
d’ondes de retournement de spin de vitesse de groupe
contrôlée dans nos puits semi-magnétiques. La
dynamique des modes « mixtes » évoqués ci-dessus y sera
également étudiée.
L'état intermédiaire a fait l'objet du premier
modèle
d'auto-organisation
(Landau
1937).
Paradoxalement, les mécanismes de formation des
domaines sont restés beaucoup moins bien compris que
pour d'autres systèmes. Les études des années 1965-1980
sont restées très qualitatives, excepté en ce qui concerne
les domaines de forme allongée (lamelles) décrites par le
modèle de Landau. D'un point de vue théorique,
l'impossible extension du calcul analytique de Landau au
cas à trois dimensions ne permettait d'obtenir que des
descriptions approchées des interactions entre les
domaines. La situation s'est débloquée avec l'apparition
d'un modèle (Dorsey et al., Phys. Rev. Lett. (1996) ;
Phys. Rev. B (1998)) formulé sans hypothèses préalable
sur la morphologie des domaines et fournissant des
prédictions quantitativement proches de celles de Landau.
Cette avancée théorique, inspirée des recherches sur les
fluides magnétiques, permettait de s'intéresser à des
questions
encore
non
abordées
dans
les
supraconducteurs : propriétés statiques des domaines
circulaires, phénomènes de nucléation et toutes les
questions liées à la stabilité de forme des domaines.
En utilisant le dispositif d’imagerie par
microscopie Faraday précédemment développé, nous
avons effectué une étude extensive des propriétés
statiques des deux formes typiques de domaines :
domaines allongés (lamelles) et domaines circulaires
(bulles), une des questions principales étant de déterminer
les mécanismes de formation de ces structures. Ces
recherches ont abouti à des résultats surprenants : les
bulles ne sont pas des structures à l'équilibre,
contrairement aux lamelles. Leur diamètre est
indépendant du champ magnétique appliqué, c’est à dire
des interactions mutuelles entre domaines. C'est un cas
unique pour les systèmes auto-organisés. Nous avons
déterminé quantitativement les paramètres réduits qui
contrôlent la taille des bulles en montrant que les mesures
obtenues pour différentes épaisseurs d'échantillon et
différents matériaux supraconducteurs se plaçaient sur
une courbe universelle (Fig. 5-1) [13].
Fig. 5-1 Diamètre des domaines circulaires (bulles) de la phase
normale en fonction du nombre de Bond magnétique pour
différents supraconducteurs :(indium (cercles), plomb (carrés),
mercure (losanges). Les courbes représentent le diamètre des
bulles dans la limite des interactions inter-domaines
négligeables (tirets : sans écrantage, trait plein : avec
écrantage).
5) Domaines magnétiques
Gourdon Catherine, Jeudy Vincent, Okada Takanori
(doctorant), Dourlat Alexandre (doctorant), Testelin
Christophe, Bernardot Frédérick
Références : [13], [23], [43], [44], [63], [C21], [C22],
[C23], [C24], [C25], [C26], [C27], [C28], [C53], [C54]
D'un point de vue théorique, en collaboration avec
A. Cebers, nous avons amélioré le modèle de Dorsey et
al. en tenant compte de l'écrantage du flux magnétique
par les domaines supraconducteurs. Un accord quantitatif
entre les mesures et les prédictions théoriques est obtenu
De nombreux systèmes physiques présentent à
l'équilibre une organisation spontanée en domaines :
films ferro- ou ferri-magnétiques, adsorbats métalliques
17
plan des couches et d'ancrage des parois de domaines par
des défauts. Nous avons attribué les différences
marquantes entre échantillons non recuits et recuits (Fig.
5-2) à l’existence de fluctuations spatiales de l’énergie
d’anisotropie uniaxiale, ces fluctuations diminuant avec
l’augmentation de la densité de porteurs lors du recuit
[63].
sur plus de 3 ordres de grandeur du nombre de Bond
magnétique (rapport entre l'énergie d'interface et l'énergie
magnétostatique) qui correspond à toute la gamme sur
laquelle on peut observer des domaines non branchés
dans les supraconducteurs de type I (Fig. 5-1) [23].
Nous avons ensuite mis en évidence l'instabilité
d'élongation des bulles (en corrélant la forme des
domaines et leur aire). C'est un résultat surprenant, quand
on sait que les bulles ont un diamètre constant et qu'il
n'est pas envisageable de dépasser la limite de stabilité en
faisant varier le champ magnétique. Pour concilier ces
deux faits expérimentaux, il faut supposer que la forme
initiale est déterminée lors des sauts de flux magnétique à
partir du bord des supraconducteurs. Ainsi, contrairement
à d'autres systèmes auto-organisés, la formation des
structures en lamelles ne résulte pas de l'instabilité des
domaines circulaires [44].
Fig. 5-2 Images de domaines magnétiques lors du renversement
d’aimantation dans une couche épitaxiée de GaMnAs à
aimantation perpendiculaire (ép. 50 nm), non recuite (gauche),
recuite (droite).
Nous avons étudié la nucléation et la disparition
de la phase supraconductrice. Cette étude a permis de
mettre en évidence, au voisinage de la transition de
phase, une hystérésis magnétique et topologique
(apparition de lamelles et disparition de bulles). Nous
avons pu montrer que l'hystérésis magnétique résultait
d'une surchauffe et d'un sur-refroidissement, alors qu'on
ne s'attend pas à voir de tels états métastables dans des
échantillons macroscopiques. L'hystérésis topologique
peut être associée à l'instabilité d'élongation des domaines
circulaires qui se produit lors de la croissance de la phase
supraconductrice [43].
Nous nous sommes attachés à déterminer
expérimentalement les paramètres micromagnétiques des
films de GaMnAs. La méthode a consisté à effectuer des
mesures complémentaires d'aimantation (SQUID), de
résonance ferromagnétique (collaboration équipe J. von
Bardeleben, INSP) et à analyser les structures des
domaines dans le cadre du modèle d'auto-organisation.
Contrairement aux films supraconducteurs, les couches
de GaMnAs sont des systèmes fortement métastables, ce
qui semblerait a priori exclure la possibilité d’utiliser un
modèle à l’équilibre thermodynamique. Cependant, en
comparant les prédictions du modèle avec nos
observations, nous avons pu obtenir une fourchette de
valeurs pour les paramètres magnétiques (énergie et
largeur de parois, constante de raideur de spin) voisine
des prédictions théoriques [C28].
5-b) Films ferromagnétiques de GaMnAs
En 2005, nous avons débuté des recherches sur la
formation des domaines et la propagation de parois dans
les semiconducteurs ferromagnétiques. Dans les
semiconducteurs magnétiques dilués, le ferromagnétisme
provient d'un fort couplage d'échange entre le spin des
porteurs de charge et les moments magnétiques localisés
sur les ions magnétiques. Ces composés, comme par
exemple (Ga,Mn)As, sont très prometteurs pour des
applications à l'électronique de spin. Ils offrent la
possibilité de contrôler les propriétés magnétiques d'un
système non seulement par l'intermédiaire d’un champ
magnétique mais également par une tension électrique, la
lumière polarisée, ou un courant polarisé en spin. Depuis
la mise en évidence du ferromagnétisme dans GaMnAs
(Ohno et al. Appl. Phys. Lett., 1996), ce composé fait
l'objet de nombreuses recherches au niveau international.
Elles ont permis notamment l’optimisation des conditions
de croissance et une meilleure compréhension des
paramètres et des mécanismes qui contrôlent le
ferromagnétisme. En revanche, les caractéristiques
micromagnétiques (énergie et épaisseur des parois qui
séparent les domaines magnétiques, constante de raideur
de spin...) sont mal connues expérimentalement. La
similarité entre le modèle d'auto-organisation décrivant
les structures en domaines dans les films
ferromagnétiques à aimantation perpendiculaire et dans
les supraconducteurs de type I laissait entrevoir la
possibilité d’obtenir ces grandeurs caractéristiques par
une étude des structures auto-organisées.
Perspectives : Ces recherches évoluent vers l'étude de
dynamique de retournement d’aimantation. Ce thème
présente un enjeu important en raison des applications
potentielles utilisant des déplacements de parois
magnétiques pour le stockage et le transport de
l’information. D'un point de vue fondamental, la
compréhension des régimes de propagation de parois
reste
un
enjeu
pour
les
semiconducteurs
ferromagnétiques dilués. Dans d’autres matériaux,
comme les grenats ou les métaux ferromagnétiques, ces
régimes présentent une grande diversité. Très
succinctement, aux faibles vitesses (v<<1m/s), les parois
suivent un régime de reptation contrôlé par l'ancrage et
activé thermiquement. A plus haute vitesse, les parois
présentent différents régimes hydrodynamiques. Pour
étudier les déplacements de parois, nous développons un
dispositif basé sur des microbobines et permettant de
mesurer des vitesses allant jusqu'à 50 m/s sous un champ
maximum de 1000 Oe. Les premiers résultats indiquent
que le régime hydrodynamique est atteint. Pour GaMnAs,
à notre connaissance, il n'existe pas d'autre d'observation
du régime hydrodynamique sous champ magnétique.
D'autre part, l'observation de régimes de reptation sur
une large gamme de températures permet d'envisager
une discussion des prédictions théoriques (Kolton et al.
Phys. Rev. Lett. 2005), qui, à notre connaissance, n'ont
pas encore été confrontées à des résultats expérimentaux.
Ce thème de recherche sera étendu à la dynamique de
déplacement de paroi sous champ et sous courant dans
des films nanostructurés.
Nos premières recherches ont consisté à
caractériser par imagerie Kerr magnéto-optique les
domaines dans des couches épitaxiées de GaMnAs
(collaboration LPN-Marcoussis). En particulier, nous
avons étudié les effets de recuit post-croissance sur les
mécanismes de retournement d’aimantation. Les résultats
ont mis en évidence des mécanismes de formation de
domaines impliquant de forts effets d'anisotropie dans le
18
Par ailleurs nous voulons étudier les processus de
modification d’aimantation par impulsion laser. Les
premiers résultats obtenus par d’autres équipes sur des
films de GaMnAs présentent une grande diversité. Les
contributions respectives de la densité de porteurs
injectés optiquement, de leur polarisation de spin, et les
effets de température ne sont pas clairement identifiés.
Des couches de GaMnAs structurées en surface à
l’échelle micronique, seront étudiées. L’expérience de
microscopie Kerr à température variable sera couplée à
l’expérience d’effet Kerr et de réflectivité différentielle
pompe-sonde (ps-fs). A l’aide de la première, les
paramètres micromagnétiques nécessaires à la
connaissance des propriétés magnétiques sont
déterminés. La seconde permettra d’étudier la
modification transitoire de l’aimantation, la relaxation et
la cohérence des différents systèmes de spins (Mn, trous
et électrons injectés optiquement) et de rechercher les
conditions pour un renversement de l’aimantation par
impulsion laser.
les propriétés acoustiques « à volonté » et offrent la
perspective d’une rétroaction via l’ingénierie de phonons
sur des propriétés optoélectroniques à la base de
dispositifs semiconducteurs (l’exemple classique est le
modulateur acousto-optique). En contrepartie, leurs
propriétés acoustiques ne sont pas optimales, les
impédances acoustiques des divers composés disponibles
restant proches entre elles. Les objectifs fédérateurs de
l’étude sont a) la conception de sources cohérentes,
monochromatiques et directionnelles d’impulsions
acoustiques de fréquences dans la gamme du térahertz, b)
la physique de leur propagation dans les solides
homogènes ou structurés, c) la réalisation de détecteurs
adaptés et d) l’étude de systèmes à plus fort contraste
acoustique. Nos activités sur le point a) sont
principalement décrites ci-dessous, les autres points
faisant plutôt l’objet du rapport de l’équipe III.1 (B.
Perrin).
6) Phonons et ingénierie acoustique dans les
nanostructures
Jusserand Bernard, Morhange Jean-François, Kanehisa
Makoto, Jouanne Michel, Pascual Winter Maria
Florencia (doctorante)
Références : [2] [5], [6], [14], [27], [28], [30], [31],
[57], [58], [59], [60], [61], [62], [64], [L2], [L5],
[C29], [C30], [C31], [C32], [C33], [C34], [C35],
[C36], [C37], [C38], [C39], [C40], [C42], [C43],
[C44]
6-a) Ingénierie acoustique dans les nanocavités
de phonons
Fig. 6-1 : Transformée de Fourier glissante par fenêtres de 100
picosecondes du signal de réflectivité transitoire en fonction du
délai après l’impulsion pompe pour deux longueurs d’ondes
différentes. En a) les vibrations acoustiques repliées des miroirs
sont excitées et elles décroissent très rapidement en s’échappant
vers le substrat (modes propagatifs), en b) le laser est placé en
résonance avec les états électroniques de la cavité, seuls les
modes confinés sont excités et leur décroissance lente est mise
en évidence. La décroissance plus rapide du mode confiné de
plus haute énergie (vers 0.55 THz) est attribuée à l’atténuation
acoustique.
Depuis 2004 l’étude des phonons acoustiques
dans les multicouches de semiconducteurs GaAs/GaAlAs
a connu un développement considérable suite à la mise en
commun des motivations, des compétences et des
approches expérimentales complémentaires des groupes
de B. Perrin (équipe III-1) et de B. Jusserand, qui se sont
rencontrés pendant les discussions préparatoires à la
création de l’INSP. Ces études sont décrites dans les
rapports des deux groupes en mettant en avant les points
de vue « propagation acoustique » (B. Perrin) et
« semiconducteurs » (B. Jusserand). Ce programme de
recherche est réalisé en collaboration étroite avec
l’équipe de A. Fainstein, Centro Atomico Bariloche,
Argentine, avec lequel nous avons deux étudiants en
cotutelle de thèse et un programme de coopération
bilatérale ECOS Sud (2005-2007) ainsi qu’avec A.
Lemaître au LPN, qui s’implique fortement dans la
réalisation des nombreux échantillons étudiés. Un
financement ANR-PNANO a été obtenu en 2006.
L’idée initiale de nanocavité acoustique a été
proposée par A. Fainstein et démontrée en 2002 (M.
Trigo, A. Bruchhausen, A. Fainstein, B. Jusserand, and
V. Thierry-Mieg, Phys. Rev. Lett. 89, 227402 (2002)).
Elle repose sur une connaissance approfondie des
phonons dans les superréseaux de semiconducteurs et de
leur couplage avec la lumière que nous avons développée
dès les années 1980 (B. Jusserand, and M. Cardona, Light
scattering in Solids V, edited by M. Cardona and G.
Guntherodt, Springer, p.49 (1989)). Par rapport aux
multicouches métalliques, les semiconducteurs présentent
l’avantage d’une fabrication parfaitement maîtrisée et
d’un riche ensemble de propriétés optiques et
électroniques très bien connues qui permettent d’agir sur
Les phonons acoustiques repliés dans les
superréseaux sont d’excellents candidats pour l’obtention
et la manipulation dans la gamme térahertz, les
fréquences
de
repliement
étant
inversement
proportionnelles à la période et le térahertz correspondant
à des périodes de l’ordre de 5nm, aisément réalisables et
contrôlables en
épitaxie. Malgré des modulations
acoustiques très faibles, ces phonons sont fortement
couplés à la lumière car les coefficients photoélastiques
des matériaux constitutifs de la maille élémentaire
peuvent être rendus très différents en mettant à profit leur
grande dispersion en longueur d’onde, en particulier au
voisinage du seuil d’absorption de chaque matériau. Dans
les nanocavités, une couche d’épaisseur et/ou de
composition différente est insérée entre deux
superréseaux jouant le rôle de miroirs de Bragg dans
l’esprit des microcavités photoniques. Aux propriétés
décrites précédemment, s’ajoute la réalisation de modes
confinés dans les cavités dont l’amplitude de vibration est
localisée et grandement renforcée en comparaison de
celle associée aux modes propagatifs et dispersifs des
superréseaux. Nous avons démontré depuis deux ans
19
différentes caractéristiques fondamentales de ces modes
de cavité :
• Mise en évidence par acoustique picoseconde des pics
de transmission acoustique pour des modes de cavités à
100GHz, détermination de largeurs intrinsèques
inférieures au gigahertz en accord quantitatif avec la
finesse théorique des cavités et avec le temps de
résidence du mode dans le résonateur
déduite
directement de filtrages temporels des données
expérimentales (voir aussi rapport équipe III.1) [60].
• Génération sélective d’un mode de cavité au voisinage
de 500 GHz par excitation spécifique en résonance avec
les transitions électroniques du puits quantique plus large
que constitue la cavité. Mise en évidence de temps de
confinement limités à la fois par l’échappement à travers
les miroirs et l’atténuation acoustique dans la cavité (Fig.
6-1) [61].
• Mesure systématique des largeurs de raies intrinsèques
des vibrations acoustiques repliées et confinées grâce au
développement en cours d’un dispositif expérimental
associant le spectromètre Raman et un étalon Fabry-Perot
accordable en pression, validation à la fin 2006 du
principe de l’expérience dans un cas simple et à
température ambiante, conception et simulation
acoustique d’échantillons adaptés à des mesures de temps
d’échappement et d’atténuation à température variable.
• Exploration des mécanismes de couplage à la base des
effets étudiés. Proposition originale, conception et
réalisation d’échantillons comprenant deux superréseaux
dont l’un a des paramètres variant graduellement dans le
plan, permettant de séparer les composantes génération et
détection dans le spectre mesuré avec le dispositif
pompe-sonde à une seule couleur disponible à l’INSP.
Mise en évidence d’effets de taille finie dans le spectre du
générateur. Mise au point au LPN d’un protocole de
croissance permettant l’épitaxie de multicouches sur les
deux faces du substrat. Réalisation d’un échantillon qui
permettra un découplage optique complet du générateur
et du détecteur et un découplage acoustique ajustable par
variation thermique de l’atténuation dans le substrat.
structure décalée de type oscillateur de Bloch (Fig. 6.2),
définition d’échantillons adaptés [64].
• exploration d’un système original à fort contraste
d’impédance acoustique, observation du mode de surface
localisé à la surface libre d'un superréseau
(Molybdène)/(Silicium amorphe) lorsque la couche
terminale est le Silicium, disparition de ce mode dans le
cas où la couche terminale est le Molybdène (Fig. 6-3),
conformément à la théorie qui spécifie que le matériau
terminal doit être celui dont l'impédance acoustique est la
plus faible, aucune observation des modes acoustiques
repliés du superréseau, probablement par suite d’un
élargissement spectral induit par la très forte absorption
optique dans le métal
3.5
Intensité Raman (c/s)
((Mo)6nm/(Si)6nm)10
3.0
(a)
2.5
2.0
(b)
1.5
1.0
0
10
20
30
40
50
Fréquence Raman (cm-1)
Fig. 6-3 : Spectres Raman d’un superréseau Mo/Si, la couche
terminale est Si (a) ou Mo (b).
Au delà des points ci-dessus incluant leurs
propres perspectives à court et moyen terme, nous avons
engagé une réflexion afin d’identifier des systèmes
physiques localisables dans les cavités acoustiques et
susceptibles soit de présenter un couplage électronphonon renforcé, soit de servir de générateurs internes de
phonons dans la perspective de la réalisation d’un
SASER.
6-b) Phonons dans les nanostructures
A mesure que la dimension des objets se réduit,
les fréquences des phonons confinés deviennent
dépendantes de la forme extérieure et de nouveaux modes
apparaissent. Les objets étudiés sont principalement
limités dans trois dimensions (sphères ou sphéroïdes).
L’étude d’objets à confinement 2D (nanofils
cylindriques) est en démarrage. Les principaux résultats
sont les suivants :
• Analyse des vibrations de nanoparticules non
sphériques. Compte tenu de la non séparabilité des
coordonnées dans l'équation de l'élasticité, la
modélisation théorique des vibrations devient délicate dès
qu'on s'écarte de la sphère, elle reste cependant possible
dans le cas particulier du sphéroïde. Le calcul est possible
analytiquement pour les vibrations axialement
symétriques des sphéroïdes et prédit des fréquences plus
basses que pour la sphère. L’observation par
spectrométrie Raman des phonons acoustiques confinés
dans des nanoparticules de Bismuth sphéroïdales
(ellipsoïdes oblates) enfouies dans une matrice de Ge
amorphe confirme approximativement ces prédictions
sauf pour les nanoparticules les plus petites (d< 3 nm)
pour lesquelles l’élasticité continue devient trop
incorrecte [2]. Dans le cas de la sphère, les règles de
sélection Raman et Infrarouge ont été revisitées, la prise
en compte de la nature vectorielle du champ élastique
Fig. 6-2 Simulation de l’évolution temporelle d’un paquet
d’onde acoustique dans deux structures de type oscillateur de
Bloch d’inclinaison de potentiel effectif différent. La période de
l’oscillation est inversement proportionnelle à cette inclinaison.
• Conception et simulation de dispositifs acoustiques
complexes suivant deux directions :
-miroirs apériodiques ajustés par optimisation inverse à
des fonctions acoustiques prédéterminées, validation des
structures par diffraction X (LPN) et spectroscopie
Raman [57]. Conception d’échantillons à 100GHz pour
étude en transmission acoustique directe.
-« molécules acoustiques » combinant plusieurs cavités
centrées à la même fréquence ou décalées et couplées par
des miroirs de réflectivité prédéfinie et permettant la
génération d’oscillations lentes gouvernées par les
couplages intercavités, exploration de deux schémas de
couplages avec une paire de cavités identiques ou une
20
croissance de nanofils de semiconducteurs II-VI a débuté
dans différentes équipes en Europe (Würzburg, Varsovie,
Grenoble) mais l’expérience accumulée sur les II-VI est
encore faible. C’est dans cette voie que nous souhaitons
nous engager.
Pour les études menées sur les propriétés optiques
de nanostructures, la réalisation de nanofils
semiconducteurs à l’INSP apporterait de nouvelles
possibilités. En ce qui concerne les propriétés
électroniques, les nanofils de semiconducteurs II-VI ou
III-V sont généralement de diamètre trop grand pour
présenter par eux-mêmes des propriétés de confinement
quantique remarquables. En revanche, la possibilité
d’inclure dans un nanofil, à des positions bien contrôlées
le long du fil, une ou plusieurs boîtes quantiques
constituées d’un matériau différent, est particulièrement
attractive, en particulier pour les projets sur la cohérence
des excitations électroniques dans les nano-objets ou le
couplage entre deux nano-objets. De même la possibilité
de pouvoir isoler un fil, voire le connecter, pour l’étudier,
offrirait une avancée par rapport aux techniques actuelles.
L’inclusion d’atomes magnétiques est également très
attrayante dans la perspective d’études sur un spin
unique. La réalisation de superperréseaux dans des
nanofils ouvre également des perspectives prometteuses
pour l’étude du confinement phononique.
T croît
Intensité Raman (unité arbitraire)
pourrait inverser les règles habituellement utilisées
[30,31].
• Utilisation des phonons observés en Raman en tant que
sonde
des
propriétés
thermodynamiques
de
nanoparticules. Une hystérésis de la transition de phase
fusion-solidification dans des nanoparticules de Bismuth
enfouies dans une matrice Ge amorphe ou de verre de
germanate alcalin a été détectée. La différence de
température de fusion mesurée par Raman (Fig. 6-4) et
par transmission optique est une forte présomption de la
présence, à la surface des nanoparticules, d'une pellicule
de liquide, précurseur de la fusion [C30, 62].
T décroît
60
80
100
120
-1
Fréquence Raman (cm )
Nous avons réalisé en 2007 des mesures
préliminaires de spectroscopie Raman sur les phonons
optiques de nanofils. Dans les fils d’InAs fabriqués au
LPN, nous avons pu observer en micro-Raman un signal
(faible) dû aux phonons optiques d’un fil isolé. Grâce à la
résonance Raman au gap direct, nous avons pu exalter
l’intensité du phonon optique LO et de quelques unes de
ses répliques dans le cas de nanofils uniques de ZnTe ou
d’alliage ZnMnTe, fabriqués à Varsovie. Le diamètre de
l'ordre de 20 à 30 nanomètres des nanofils disponibles
actuellement est encore trop grand pour permettre
l'observation aisée de modes acoustiques confinés. Nous
projetons de poursuivre ces mesures pour étudier la
symétrie cristalline originale (blende ou wurtzite) de ces
objets et, si les tailles le permettent, les effets de
confinement latéral. Ces objets sont potentiellement très
intéressants pour l’ingénierie de phonons acoustiques : la
réalisation de nanofils de composition alternée
(superréseaux unidimensionnels) donnerait accès au
confinement tridimensionnel des phonons acoustiques
avec des perspectives analogues à celles offertes par les
microrésonateurs en piliers dans le cas de la photonique.
Fig. 6-4 : Mise en évidence Raman de l’hystérésis
fusion/solidification de nanoparticules de Bi enfouies, de haut en
bas : T=295 K, 529K, 548K, 383K, 355K.
• Prédiction d’un effet de confinement renforcé sur le
magnon dans les nanoparticules. Etablissement d’une loi
en 1/d2 laissant présager une observation possible des
magnons confinés en diffusion Raman aux tailles d’objets
très faibles
• Mise en évidence d’un couplage magnéto-élastique
dans les couches MnTe épitaxiées en structure forcée
blende. Ce couplage permet de rendre compte de manière
satisfaisante de la variation de la température de Néel en
fonction des contraintes imposées par le substrat utilisé
lors du dépôt MBE [C31].
7) Projet : Nanofils semiconducteurs
Chamarro Maria, Jusserand Bernard, Gourdon
Catherine, Grousson Roger, Kanehisa Makoto,
Morhange Jean-François, Testelin Christophe, Voliotis
Valia
La croissance par épitaxie de ces nanofils se fait
par un mécanisme dit «vapeur-liquide-solide » en
présence d’un catalyseur constitué par des gouttelettes
d’or sur la surface du substrat. Cependant le processus de
croissance est encore loin d’être bien compris. La
dépendance de la structure cristalline avec les paramètres
de croissance (orientation du substrat, catalyseur,
température, etc..) nécessite des études approfondies. Par
ailleurs, la relaxation des contraintes à la surface des
nanofils est une hypothèse qui reste à confirmer. Enfin
l’optimisation des propriétés optiques (suppression des
centres non-radiatifs à la surface) reste à réaliser pour
plusieurs types de semiconducteurs. Au sein de l’INSP,
l’association de la croissance par épitaxie par jets
moléculaires avec des techniques d’étude in situ (STM,
spectroscopie de photoémission) ou à proximité (TEM,
SEM, XRD) permettra une bonne maîtrise de
l’élaboration de ces nouvelles nanostructures par l’équipe
« Couches minces et Nanostructures hybrides ». Pour
pouvoir respecter les faibles températures de croissance
en collaboration avec l’équipe III.1
Etgens Victor, Eddrief Mahmoud, Marangolo
Massimiliano, Vidal Franck
Dans le cadre d’une approche « bottom-up » pour
l’élaboration
de
nanostructures,
les
nanofils
semiconducteurs (nanowhiskers) connaissent un grand
essor à l’heure actuelle, en raison de leur intérêt dans des
domaines variés allant de la nanoélectronique à la
biologie en passant par la nanophotonique. Des diodes
composées de nanofils uniques, des nano-lasers, des LED
multicolores ont déjà été réalisés. Au niveau international
trois équipes se distinguent : celle de P. Yang (Berkeley
USA) qui travaille sur ZnO et celles de L. Samuelson
(Lund, Suède) et C. Lieber (Harvard, USA) sur les
semiconducteurs III-V. Différentes voies de synthèse sont
utilisées, en particulier l’épitaxie par jet moléculaire. En
France, le LPN développe la croissance et l’étude de
nanofils de semiconducteurs III-V par cette technique. La
21
des semiconducteurs II-VI, l’idée sera de privilégier
l’utilisation de catalyseurs autres que l’or, qui nécessite
des températures de croissance trop élevées. Enfin,
l’insertion de boîtes magnétiques dans les nanofils
semiconducteurs sera une des voies qui devront être
explorées.
Publications
[1].
«AlGaAs/GaAs quantum wires with high
photoluminescence
thermal
stability»;
Liu X.Q., Wang X.L., Ogura M., Guillet T.,
Voliotis V., Grousson R.; Appl. Phys. Lett.,
83 ; 5059 ; 2003
[2].
[3].
[4].
[5].
[16].
«The trion : two electrons plus one hole versus
one electron plus one exciton»; Combescot M.,
Betbeder-Matibet O., Dubin F. ; Eur. Phys. J.
B ; 42 ; 63 ; 2004
[17].
«Theory of spin precession monitored by laser
pulse»; Combescot M., Betbeder-Matibet O.;
Solid State Com.; 132 ; 129 ; 2004
[18].
«Exchange interaction and acoustical phonon in
CdTe
nanocrystals»;
Lavallard
P.,
Chamarro M., Perez J., Bhattacharjee A.,
Goupalov S.V., Lipovski A.A.; Solid State
Comm ; 127 ; 439 ; 2003
«Dressed atom versus exciton polariton: From
Rabi oscillations to the Fermi golden rule»;
Dubin F., Combescot M., Roulet B.; Europhys.
Lett.; 69 ; 931 ; 2005
[19].
«Interplay of spin dynamics of trions and twodimensional electron gas in a n-doped CdTe
single
quantum
well»;
Tribollet
J.,
Bernardot F., Menant M., Karczewski G.,
Testelin C., Chamarro M.; Phys. Rev. B ; 68 ;
235316 ; 2003
«Effects
of
pulsed
low
frequency
electromagnetic fields on water using light
scattering technique: role of bubbles»;
Vallée P., Lafait J., Legrand L., Mentré P.,
M.-Monod O., Thomas Y.; Langmuir ; 21 ;
2293 ; 2005
[20].
«Exciton Spin Manipulation in InAs/GaAs
Quantum Dots : Exchange Interaction and
Magnetic
Field
Effects»;
Sénès
M.,
Urbaszek B., Marie X., Amand T., Tribollet J.,
Bernardot F., Testelin C., Chamarro M and
Gérard J-M.; Phys. Rev. B ; 71 ; 115334 ; 2005
[21].
«Manybody effects between unbosonized
excitons»;
Combescot
M.,
BetbederMatibet O.; Solid State Comm.; 134 ; 11 ; 2005
[22].
«Many-body origin of the "trion line" in doped
quantum wells»; Combescot M., Tribollet J.,
Karczewski G., Bernardot F., Testelin C. and
Chamarro M.; Europhysics Letters ; 71 ; 431 ;
2005
[23].
«Normal-state bubbles and lamellae in type-I
superconductors»; Cebers A., Gourdon C.,
Jeudy V., and Okada T.; Phys. Rev. B ; 72 ;
014513 ; 2005
[24].
«Novel approach to nonlinear susceptibility»;
Combescot M., Betbeder-Matibet O., Cho K.,
Ajiki H; Europhys.Lett.; 72 ; 618 ; 2005
[25].
«Origin of the sum rule change when
composite
excitons
are
bosonized»;
Combescot M., Betbeder-Matibet O.; Phys.
Rev. B ; 72 ; 193105 ; 2005
[26].
« How composite bosons really interact »;
Combescot M., Betbeder-Matibet O.; Eur.
Phys. J. B ; 48 ; 469 ; 2005
[27].
«Phonon Bloch oscillations in acoustic-cavity
structures»;
Lanzillotti
Kimura
N.D.,
Fainstein A., and Jusserand B.; Phys. Rev. B ;
71 ; 031305 (R) ; 2005
[28].
«Piezoelectric
semiconductor
acoustic
cavities»; Rozas G., Pascual Winter M.F.,
Fainstein A., Jusserand B., Vaccaro P.O.,
Saravanan S., Saito N.; Phys. Rev. B ; 72 ;
035331 ; 2005
[29].
«Spin susceptibility enhancement in a twodimensional hole gas»; Boukari H., Perez F.,
Ferrand D., Kossacki P., Jusserand B., and
Cibert J.; Phys.Rev.B ; 243 ; 873 ; 2005
[30].
« Infrared and Raman selection rules for elastic
vibrations of
spherical nanoparticles»;
Kanehisa M.; Phys. Rev. B ; 72 ; 241405(R) ;
2005
[31].
Reply to «Comment on `Infrared and Raman
selection rules for elastic vibrations of spherical
nanoparticles»; Kanehisa M.; Phys. Rev. B ;
74 ; 197402 ; 2006
«Elastic vibrations of spheroidal nanometric
particles »; Hernandez-Rosas J., Picquart. M,
Haro-Poniatowski
E.,
Kanehisa
M.,
Jouanne M., Morhange J.F.; Journal of Physics
Condensed Matter ; 15 ; 7481-7 ; 2003
«Polariton mediated resonant Raman scattering
in II–VI microcavities: Exciton lifetime
effects»; Bruchhausen A., Fainstein A.,
Jusserand B., and André R.; Phys. Rev. B ; 68 ;
205326 ; 2003
[6].
«Raman spectroscopy of phonons in optically
confined
semiconductor
nanostructures»;
Fainstein A. and Jusserand B.; Semiconductor
Science and Technology ; 18 ; S377 ; 2003
[7].
«Reply to the comment by Rombouts et al on
new criteria for bosonic behavior of excitons »;
Combescot M., Tanguy C.; Europhys. Lett. ;
63 ; 787 ; 2003
[8].
«Spin Excitations of the Spin-Polarized
Electron Gas in Semimagnetic Quantum
Wells»; Jusserand B., Perez F.,Richards D.,
Karczewski G., Wojtowicz T., Testelin C.,
Wolverson D., Davies J.J.; Phys. Rev. Lett.;
91 ; 086802 ; 2003
[9].
«Trion oscillator strength»; Combescot M. ,
Tribollet J. ; Solid State Comm.; 128 ; 273 ;
2003
[10].
«A high energy exciton in polydiacetylene
chains, involving electrons localized on the
triple bond»; Berréhar J., LapersonneMeyer C., Schott M., Weiser G.; Chem. Phys.;
303 ; 129 ; 2004
[11].
«Comment on triplet-to-singlet exciton
formation in poly(p-phenylene-vinulene) lightemitting diodes»; Schott M.; Phys. Rev.
Letters ; 92 ; 059701 ; 2004
[12].
«Excitons dressed by a sea of excitons»
Combescot M., Betbeder-Matibet O.; Eur.
Phys. J. B ; 42 ; 509 ; 2004
[13].
«Impeded growth of magnetic flux bubbles in
the
intermediate
state
of
type
I
superconductors»; Jeudy V., Gourdon C.,
Okada T.; Phys. Rev. Lett.; 92 ; 147001 ; 2004
[14].
«Optical cavity enhancement of light-sound
interaction in acoustic phonon cavities»;
Lacharmoise P., Fainstein A., Jusserand B., and
Thierry-Mieg V.; Appl. Phys. Lett.; 84 ; 3274 ;
2004
[15].
«Scattering rates and lifetime of exact and
boson
excitons»;
Combescot
M.,
Betbeder-Matibet O.; Phys. Rev.Lett.; 93 ;
16403 ; 2004
22
[32].
«The carrier antibinding in quantum dots: a
charge separation effect»; Combescot M.,
Dupertuis M.A.; Eur. Phys. J. B ; 50 ; 459 ;
2005
[49].
«Shiva diagrams for composite-boson manybody effects : how they work»; Combescot M.,
Betbeder-Matibet O. ; Eur. Phys. J. B ; 55 ; 63 ;
2007
[33].
«Evidence of polariton induced transparency in
a single organic quantum wire»; Dubin F.,
Berréhar J., Grousson R., Schott M., and
Voliotis V., Phys. Rev. B ; 73 ; 121302 (R) ;
2006
[50].
«Exciton-exciton scattering : composite boson
versus elementary boson»; Combescot M.,
Betbeder-Matibet O., Combescot R. ; Phys.
Rev. B ; 75 ; 174305 ; 2007
[34].
«Macroscopic coherence of a single exciton
state in a organic quantum wire»; Dubin F.,
Melet R., Barisien T., Grousson R., Legrand L.,
Schott M et Voliotis V.; Nature Physics ; 2 ;
32-35 ; 2006
[51].
«Polariton-polariton scattering : exact results
through a novel approach»; Combescot M.,
Dupertuis M.A., Betbeder-Matibet O. ;
Europhys. Lett. ; 79 ; 17001 ; 2007
[52].
«Mixture of composite-boson molecules and
the Pauli exclusion principle»; Combescot M.,
Betbeder-Matibet O., Dubin F. ; Phys. Rev. A ;
accepté ; 2007
[53].
«Enhancement of the electron spin memory by
localization on donors in a quantum well»;
Tribollet J., Aubry E., Karczewski G.,
Sermage B., Bernardot F., Testelin C. and
Chamarro M.; Phys. Rev. B ; 75 ; 205304 ;
2007
[54].
«Spin lifetime from the Hanle effect and fine
structure of excitonic levels in InAlAs/AlGaAs
quantum dots»; Sahli A., Melliti A.,
Maaref M.A., Testelin C., Lemaître A.,
Voisin P. and Kuszelewicz R.; à paraître dans
Phys. Stat. Sol. (b) ; 2007
[35].
«The Colors of Polydiacetylenes : a
Commentary»; Schott M.; J. Phys. Chem. B ;
110 ; 15864-15868 ; 2006
[36].
« A two-dimensional model for energy transfer
in
pure
and
mixedaggregates»;
Lemaistre J.-P.; Chem. Phys.; 333 ; 333 ; 2006
[37].
« Linear and dynamical photo-induced
dichroisms of InAs/GaAs self-assembled
quantum dots: population relaxation and
decoherence measurements »; Bernardot F.,
Aubry E., Tribollet J., Testelin C.,
Chamarro M., Marie X., Amand T.
and
Gérard J.-M.; Phys. Rev. B ; 73 ; 085301 ; 2006
[38].
«Electron teleportation between quantum dots
using virtual dark exciton»; Combescot M.,
Betbeder-Matibet O., and Voliotis V.;
Europhys. Lett.; 74 ; 868 ; 2006
[55].
[39].
«Faraday
rotation
in
photoexcited
semiconductors : A composite-exciton manybody effect»; Combescot M., BetbederMatibet O. ; Phys. Rev. B ; 74 ; 125316 ; 2006
«Anisotropic spin splitting of the electron
ground state in InAs quantum dots»; Aubry E.,
Testelin C., Bernardot F., Chamarro M. and
Lemaître A.; Appl. Phys. Lett. ; 90 ; 242113 ;
2007
[56].
« From spin flip excitations to the spin
susceptibility enhancement of a two
dimensional electron gas»; Perez F., Akuleh C., Richards D., Jusserand B., Smith L.,
Wolverson D., Karczewski G.; publication
acceptée dans Phys. Rev. Lett.; 99 ; 26403 ;
2007
[40].
« Coherent effects in the physics of composite
excitons»;
Combescot
M.,
BetbederMatibet O.; Phys. Rev. B ; 74 ; 045110 ; 2006
[41].
« The exciton many-body theory extended to
any kind of composite bosons»; Combescot M.,
Betbeder-Matibet O., Dubin F.; Eur. Phys. J.
B ; 52 ; 181 ; 2006
[57].
[42].
« Epitaxial growth and optical properties of
semiconductor quantum wires »; Wang X. L.,
and Voliotis V.; J. Appl. Phys. ; 99 ; 121301 ;
2006 - article de revue.
«Nanowave devices with THz acoustic
phonons»;
Lanzillotti
Kimura
N.D.,
Fainstein A., Lemaitre A., and Jusserand B.;
Appl. Phys. Lett. ; 88 ; 083113 ; 2006
[58].
[43].
« Nucleation
and
Collapse
of
the
Superconducting
Phase
in
Type-I
Superconducting
Films»;
Gourdon
C.,
Jeudy V., Cebers A.; Phys. Rev. Lett. ; 96 ;
087002 ; 2006
«Resonant Raman scattering by CdTe
quantum-well-confined optical phonons in a
semiconductor microcavity»; Bruchhausen A.,
Fainstein A., Jusserand B., and Andre R. ;
Phys. Rev. B ; 73 ; 085305 ; 2006
[59].
«Instability driven formation of domains in the
intermediate state of type-I superconductors»;
Jeudy V., Gourdon C.; Eur. Phys. Lett. ; 75 ;
482 ; 2006
«Raman scattering from acoustic modes in
Si/Ge super-lattice waveguides»; Claps R.,
Dimitropoulos D., Jalali B., and Jusserand B.;
Superlattices and Microstructures ; 39 ; 501 ;
2006
[60].
«Sub-terahertz phonon dynamics in acoustic
nanocavities»;
Huynh
A.,
LanzillottiKimura N. D., Jusserand B., Perrin B.,
Fainstein A., Pascual-Winter M. F., Peronne E.,
and Lemaître A.; Phys. Rev. Lett.; 97 ;
115502 ; 2006
[61].
«Selective optical generation of coherent
acoustic
nanocavity
modes»;
Pascual
Winter M.
F.,
Rozas G.,
Fainstein A.,
Jusserand B.,
Perrin
B.,
Huynh
A.,
Vaccaro P. O., and Saravanan S.; Phys. Rev.
Lett.; 98 ; 265501; 2007
[62].
«Melting and solidification processes of Bi
nanoparticles in a germanate glass»; HaroPoniatowski E., Jímenez De Castro M.,
Fernandez Navarro J. M., Morhange J. F., and
Ricolleau C.; Accepté pour publication dans
Nanotechnology ; July 2007
[44].
[45].
«Architecture-controlled “smart” calix[6]arene
self-assemblies
in
aqueous
solution»;
Houmadi S., Coquière D., Legrand L.,
Fauré M.-C., Goldmann M., Reinaud O.,
Rémita S. ; Langmuir ; 23 ; 4849-4855 ; 2007
[46].
«Structural study of two reactive diacetylenes»;
Spagnoli S., Schott M., Johnson M., Toupet L. ;
Chem. Phys. ; 333 ; 236-245 ; 2007
[47].
«Photopolymerization quantum yields in two
reactive diacetylenes, 3BCMU and 4BCMU,
and relation to X-ray polymerization»;
Schott M., Spagnoli S., Weiser G.; Chem.
Phys.; 333 ; 246-253 ; 2007
[48].
«Temperature dependence of spectroscopic
properties of isolated polydiacetylene chains
strained by their monomer single crystal
matrix»; Spagnoli S., Berréhar J., Fave J.-L.,
Schott M.; Chem. Phys. ; 333 ; 254-264 ; 2007
23
[63].
«Domain structure and magnetic anisotropy
fluctuations in (Ga,Mn)As : effect of
annealing»; Dourlat A., Jeudy V., Testelin C.;
Bernardot F., Khazen K., Gourdon C.,
Thevenard L., Largeau L., Mauguin O.,
Lemaître A.; accepté pour publication dans J.
Appl. Phys. ; 2007
[64].
«Phonon
engineering
with
acoustic
nanocavities: Theoretical considerations on
phonon molecules, band structures, and
acoustic Bloch oscillations»; LanzillottiKimura N. D., Fainstein A., Balseiro C. A., and
Jusserand B.; Phys. Rev. B ; 75 ; 024301 ; 2007
[C7].
«Intraband relaxation and dephasing of Frenkel
exciton states in one-dimensional J-aggregates»;
Lemaistre J.P.; Proceedings of the 8th International
Meeting on Hole Burning, Single Molecule, and Related
Spectroscopies: Science and Applications Bozeman MT
USA ; 26 - 31 July 2003 ; edited by W.R. Babbitt, R.L
Cone, A. Rebane, R.W. Equall; J. of Lumin.; 107 ; 332 ;
2004
[65].
«Exciton spectroscopy of red polydiacetylene
chains in single crystals»; Barisien T., Legrand
L., Weiser G., Deschamps J., Balog M., Boury
B., Dutremez S., Schott M. ; accepté pour
publication dans Chem. Phys. Lett. ; juillet
2007
[C8].
«Disorder, intraband relaxation and dephasing
of Frenkel excitons in molecular aggregates»;
Lemaistre J.P.; 6th International Conference on Excitonic
Processes in Condensed Matter (EXCON '04); J. of
Lumin.; 112 ; 407 ; 2005
[C6].
«Isolated polydiacetylene chains dispersed in
their monomer crystal: one-dimensional organic quantum
wires»; Schott M.; Fifth International Topical Conference
on Optical Probes of Conjugated Polymers and Organic
and Inorganic Nanostructures ; Venice, Italy ; 2003.
Synth. Metals ; 139 ; 739 ; 2003
[C9].
« Strong Fermi-edge singularity in ultrahigh
quality AlGaAs/ GaAs quantum wires»; Wang X. L.,
Ogura M., Guillet T., Voliotis V., Grousson R.; 45th
Electronic Material Conference (EMC) ; USA ; 2005 ;
Physica E ; 32 ; 329 ; 2006
Livres (ou chapitres de livres)
[L1]. «Disorder effects and energy relaxation in
quantum systems: one-dimensional Frenkel excitons in
molecular aggregates»; Lemaistre J.P.; Advanced Topics
in Theoretical Chemical Physics, Kluwer Academic
Publishers ; 429 ; 2003
[C10]. «Coherent exciton state in an organic quantum
wire»; Dubin F., Melet R., Barisien T., Legrand L.,
Grousson R., Schott M. and Voliotis V.; 28th Int. Conf.
on the Physics of Semiconductors (ICPS28) ; Vienna,
Austria ; 2006 ; AIP Conf. Proc.; 893 ; 351 ; 2007
[L2]. «Elastic vibrational of nanoparticles»; HaroPoniatowski E., Hernandez-Rosas J., Picquart M.,
Jouanne M., Morhange J. F., and Kanehisa M. ; in
Developments in Mathematical and Experimental
Physics, Vol. B; Statistical Physics and Beyond, edited
by A. Macias, F. Uribe, and E. Diaz; Kluwer Academic,
New York ; p. 113 ; 2003
[C11]. «Resonant emission of single InAs/GaAs
quantum dots in a waveguiding configuration»; Melet R.,
Grousson R., Roditchev D., Voliotis V., Lemaître A.,
Martinez A.; 28th
Int. Conf. on the Physics of
Semiconductors (ICPS28) ; Vienna, Austria ; 2006 ; AIP
Conf. Proc.; 893 ; 913 ; 2007
[L3]. «Optical Properties of single conjugated polymer
chains: polydiacetylenes»; Schott M.; "Photophysics of
Molecular Materials" ed. par G. Lanzani ; Wiley-VCH
Berlin ; 49-151 ; 2006
[C12]. «Coherent optical manipulations of the
fundamental state in a single quantum dot»; Melet R.,
Voliotis V., Grousson R., Wang X. L., Lemaître A.,
Martinez A.; 7th International Conference on Physics of
Light-Matter Coupling in Nanostructures ; La Havana,
Cuba ; 2007 ; à paraître dans Superlattices and
Microstructures.
[L4]. «L'univers confiné des électrons dans les
nanocristaux de semi-conducteur»; Chamarro M. ; La
Nanophotonique ; Hermes Sciences Publication ;
Chap 9 ; 2005.
"Confined universe of electrons in semiconductor
nanocrystals " Chap 9 in « Nanophotonics », Editeurs H.
Rigneault, J.M. Lourtioz , A. Levenson et C. Delalande.
Hermes Lavoisier Paris ; 2006
[C13]. «Simulation of energy transfer in disordered
two-dimensional mixed J-aggregates»; Lemaistre J. P.,
Excitonic Processes in Condensed Matter EXCON 2006 ;
June 26-30 ; Winston-Salem, NC (USA); phys. stat. sol.
(c); 10 ; 3394 ; 2006
[L5]. «Raman scattering in resonant cavities»; Fainstein
A. and Jusserand B., Light scattering in Solids IX; edited
by M. Cardona and G. Guntherodt ; Springer ; p.17 ;
2007
[C14]. «Transient Linear Dichroism in InAs/GaAs
Self-Assembled
Quantum
Dots»;
Tribollet
J.,
Maingault L., Lemaître A. , Sermage B. , Gérard J.M.,
Bernardot F.,
Testelin C and Chamarro M.; 8th
Conference on Optics of Excitons in Confined Spaces ;
Lecce, Italy ; 15-17 Sept. 2003 ; Phys. Stat. Sol. (c); 1 ;
585 ; 2004
Communications avec actes
[C1].
«The trion as an exciton interacting with a
carrier»; Combescot M., Betbeder-Matibet O.; ICPS-27.
Flagstaff, AZ, USA. 26-30 July 2004, AIP Conference
Proceedings ; 772 ; 1153 ; 2005
[C15]. «Exciton Spin Manipulation in InAs/GaAs
Quantum Dots : Exchange Interaction and Magnetic Field
Effects»; Sénès M., Urbaszek B., Marie X., Amand T.,
Tribollet J., Bernardot F., Testelin C., Chamarro M. and
Gérard J.-M.; 27th International Conference on Physics
of Semiconductors ; Flagstaff ; AIP Conference
Proceedings ; 772 ; 1361 ; 2005
[C2].
«Why interacting excitons cannot be
bosonized»; Combescot M. , Betbeder-Matibet O.; ICPS27. Flagstaff, AZ, USA ; 26-30 July 2004 ; AIP
Conference Proceedings ; 772 ; 1151-2 ; 2005
[C16]. «Two time scales of the electron-hole spin
relaxation in InAs/GaAs quantum dots»; Testelin C.,
Aubry E., Chaouache M., Maaref M., Bernardot F.,
Chamarro M. and Gérard J.-M.; Int. Conf. on Quantum
Dots ; Chamonix ; mai 2006 ; Phys. Stat. Sol. (b) ; 243 ;
3928 ; 2006
[C3].
«Simple ideas on excitons in quantum wires» ;
Combescot M., Guillet T. ; ICPS-27. Flagstaff, AZ,
USA ; 26-30 July 2004 ; AIP Conference Proceedings;
772 ; 891 ; 2005
[C4].
«Spin precession monitored by laser pulse»;
Combescot M. and Betbeder-Matibet O.; 28th Int. Conf.
on the Physics of Semiconductors ; Vienne ; Juillet 2006,
AIP Conf. Proc. ; 893 ; 1349 ; 2007
[C17]. «Energy dependence of the electron-hole inplane anisotropy in InAs/GaAs quantum dots»;
Testelin C., Aubry E., Chaouache M., Maaref M.,
Bernardot F., Chamarro M., Gérard J.-M., and
Ferreira R.; Int. Conf. on Quantum Dots, Chamonix mai
2006, Phys. Stat. Sol. (c) ; 3 ; 3900 ; 2006. "Erratum :
Energy dependence of the electron-hole in-plane
anisotropy in InAs/GaAs quantum dots", Phys. Stat. Sol.
(c); 4 ; 1385 ; 2007
[C5].
«Saturated excitonic absorption in a polymeric
quantum wire»; Dubin F., Berréhar J., Grousson R.,
Lapersonne-Meyer C., Schott M., and Voliotis V.; 8th
International Conference on Optics of Excitons in
Confined Systems (OECS8) ; Lecce Italy ; 2003 ; Phys.
Stat. Sol. (c); 3 ; 454 ; 2004
24
[C18]. «Quenching of the electronic spin relaxation
and decoherence by localization on donors»; Aubry E.,
Karczewski G., Tribollet J., Bernardot F., Testelin C., and
Chamarro M.; 28th Int. Conf. on the Physics of
Semiconductors ; Vienne ; Juillet 2006 ; AIP Conf.
Proc. ; 893 ; 1323 ; 2007
[C30]. «Hysteresis in the melting kinetics of Bi
nanoparticles»; Haro-Pniatowski E., Serna R.,
Afonso C.N., Jouanne M., Morhange J.F., BoschP.,
Lara V.H. ; Symposium H on Photonic Processing of
Surfaces, Thin Films & Devices of the EMRS 2003 ;
Spring Conference ; Strasbourg, France ; 10-11 June
2003 ; Thin Solid Films ; 453-454 ; 467-70 ; 2004
[C19]. «Energy dependence of the linear and
dynamical photo-induced dichroisms of InAs/GaAs
quantum dots»; Aubry E., Bernardot F., Tribollet J.,
Testelin C., Chamarro M., and Gérard J.-M.; 28th Int.
Conf. on the Physics of Semiconductors ; Vienne ; Juillet
2006 ; AIP Conf. Proc. 893 ; 979 ; 2007
[C31]. «Neel temperature of zinc-blende, MBE-grown
MnTe layers: modification by the crystal growth
conditions»;
Szuszkiewicz
W.,
DynowskaE.,
Domagala J.Z., Janik E., Lusakowska E., Jouanne M.,
Morhange J.F., Kanehisa M., Ortner K., Becker C.R. ;
Eleventh International Conference on II-VI Compounds
(II-VI 2003); Niagara Falls, NY, USA ; 22-26 Sept.
2003 ; Physica Status Solidi (c) ; 4 ; 953-6 ; 2004
[C20]. «The so-Called "Trion Line": a singular manybody effect between one composite exciton and many
electrons»; Combescot M., Tribollet J., Karczewski G.,
Bernardot F., Testelin C., and Chamarro M.; 28th Int.
Conf. on the Physics of Semiconductors ; Vienne ; Juillet
2006 ; AIP Conf. Proc. 893 ; 437 ; 2007
[C32]. «Structural and thermal properties of a Bi nanoplane embedded in amorphous germanium»; HaroPoniatowski E., Serna R., Suarez-Garcia A.,
Afonso C.N., Jouanne M., Morhange J.F. ; 7th
International Conference on Laser Ablation (COLA'03);
Crete, Greece ; 5-10 Oct. 2003 ; Applied Physics A ; 79 ;
1299-302 ; 2004
[C21]. «Novel magneto-optic layers based on
semiconductor nanostructuresfor Kerr microscopy»;
Gourdon C., Jeudy V., Karczewski G., André R.,
Ivchenko E.L.; MRS-Fall Meeting 2004 ; Mater. Res.
Soc. Symp. Proceedings. ; 834 ; J6.3.1 ; 2005
[C33]. «Structure characterization of MBE-grown
(Zn,Cr)Se layers»; Jouanne M., Morhange J.F.,
Dynowska E., Lusakowska E., Szuszkiewicz W.,
Molenkamp L.W., Karczewski G.; European Materials
Research Society Fall Meeting, Symposium B ; Warsaw,
Poland ; 15-19 Sept. 2003 ; Journal of Alloys and
Compounds ; 382 ; 92-99 ; 2004
[C22]. «Stability of normal state bubbles in the
intermediate state of type I superconductors»; Jeudy V.,
Gourdon C.; Moscow International Symposium on
Magnetism, June 25-30 2005; J. Magn. Magn. Mater;
300 ; 101 ; 2006
[C23]. «Dynamically Induced Alignment of Magnetic
Domains in Type-I Superconductors»; Jeudy V., Gourdon
C., Okada T.; 24th International Conference on Low
Temperature Physics ; 10-17 August 2005 ; Orlando,
Florida, USA ; AIP Conference Proceedings ; 850 ; 985 ;
2006
[C34]. «Optical studies of non-magnetic spacer in thin
Fe/Si multilayers»; Szuszkiewicz W., Jouanne M.,
Morhange J.-F., Chernyshova M., Kowalczyk L.,
Lusakowska E., Wandziuk P., Lucinski T.; XXXIV
International School on the Physics of Semiconducting
Compounds " Jaszowiec 2005"; Acta-Physica-PolonicaA.; 108 ; 891 ; 2005
[C24]. «Metal-insulator transition and magnetic
domains in (Ga,Mn)A epilayers»; Dourlat A.,
Gourdon C., Jeudy V., Bernardot F., Testelin C.,
Lacaze E., Thevenard L., Mauguin O., Largeau L.,
Patriarche G., and Lemaître A.; MRS Spring Meeting San
Francisco ; 2006 ; in Magnetic Thin Films,
Heterostructures, and Device Materials, edited by C.
Ross ; Mater. Res. Soc. Symp. Proc.; 941E ; 0941-Q0711 ; 2006
[C35]. «Raman scattering on Mn or Co doped ZnO
crystals»; Jouanne M., Morhange J.-F., Szuszkiewicz W.,
Golacki Z., Mycielski A. ; 12th International
Conference on II-VI Compounds ; Warsaw,
Poland ; September 12 - 16, 2005 ; Physica-StatusSolidi-C.; 4 ; 1205-8 ; 2006
[C25]. «Magnetic domain patterns in as-grown and
annealed (Ga,Mn)As epilayers with perpendicular easy
axis»; Dourlat A., Gourdon C., Jeudy V., Testelin C.,
Thevenard L., Lemaître A.; 28th Intern. Conf. on the
Physics of Semiconductors ; 2006 ; Vienna, Austria ; AIP
Conf. Proc.; 893 ; 1211 ; 2007
[C36]. «Vanadium- Al2O3 nanostructured thin films
prepared by pulsed laser deposition»; Núñez-Sánchez S.,
Serna R., Jiménez De Castro M., García López J., Petford
Long A. K., Morhange J.F.; Spring Meeting of the
European MRS, symposium H, Nice ; 29 mai-2 juin
2006 ; Accepté pour publication dans Applied Surface
Science ; 2007
[C26]. «(Ga,Mn)As
layers
with
perpendicular
anisotropy: a study of magnetic domain patterns»;
Dourlat A., Gourdon C., Jeudy V., Testelin C.,
Thevenard L., Lemaître A.; 4th Intern. Conf. on the
Physics and Applications of Spin Related Phenomena in
Semiconductors. PASPS-IV ; 15-18 août 2006 ; Sendai,
Japon ; phys. stat. sol. (c); 3 ; 4074 ; 2006
[C37].
«Raman spectroscopy studies of Zn1-xCoxO
mixed crystals»; Szuszkiewicz W., Morhange J. F.,
Schumm M., Gołacki Z., Skupiński P., Grasza K. and
Geurts J.; XXXVI International School on the Physics of
Semiconducting Compounds " Jaszowiec 2007"; Accepté
pour publication dans Acta Polonica 2007.
[C38]. «Semiconductor
phonon
cavities»;
Lacharmoise P., Fainstein A. , Jusserand B and Perrin B.;
Phonons 2004. 11th International Conference on Phonon
Scattering in Condensed Matter ; St. Petersburg, Russia ;
25-30 July 2004 ; Phys. Stat. Sol. (c); 1 ; 2698 ; 2004
[C27]. «Pattern formation in type-I superconducting
films»; Jeudy V., Gourdon C., Cebers A., Okada T.; 10th
Joint MMM/Intermag Conference ; January 7-11 2007;
Baltimore, Maryland, USA ; J. Appl. Phys.; 101 ;
09G118 ; 2007
[C39]. «Exciton lifetime effect on polariton mediated
resonant Raman scattering in II-VI microcavities»;
Bruchhausen A., Fainstein A., Jusserand B., André R.;
Proceedings of the 27th International Conference on the
Physics of Semiconductors ; Flagstaff, Arizona ; July
2004 ; AIP Conference Proceedings ; 772 ; 1105 ; 2005
[C28]. «Expansion and collapse of domains with
reverse magnetization in (Ga,Mn)As epilayers with
perpendicular magnetic easy axis»; Dourlat A.,
Gourdon C., Jeudy V., Testelin C., Khazen K.,
Cantin J.L., von Bardeleben H.J., Thevenard L.,
Lemaitre A.; 10th Joint MMM/Intermag Conference,
January 7-11 2007 ; Baltimore, Maryland, USA ; IEEE
Trans. Magn.; 43 ; 3022 ; 2007
[C40]. «Acoustic
cavities»;
Fainstein
A.,
Lacharmoise P., Jusserand B., Proceedings of the 27th
International Conference on the Physics of
Semiconductors ; Flagstaff, Arizona ; July 2004 ; AIP
Conference Proceedings ; 772 ; 1105 ; 2005
[C29]. «Elastic Properties of Zinc Blende MnTe»;
Djemia P., Roussigné Y., Stashkevich A., Szuszkiewicz
W., Szwacki N., Dynowska E., Janik E., Kowalski B.J.,
Karczewski G., Bogulawski P., Jouanne M.,
Morhange J.F.; 33rd International School on Physics of
Semiconducting Compounds ; Jaszowiec, Poland ; 28
May-4 June 2004 ; Acta Physica Polonica A; 106 ; 239247 ; 2004
[C41]. «Single particule excitations and interband
recombination in very low density 2D electron gases»;
Jusserand B., Perrin M., Lemaitre A., and Bloch J.;
Proceedings of the 28th International Conference on the
Physics of Semiconductors ; Vienna, Austria ; July 2006;
AIP Conference Proceedings; 893; 411; 2007.
25
[C42]. «Terahertz phonon dynamics in acoustic
nanocavities»; Lanzillotti Kimura N. D., Huynh A.,
Jusserand B., Perrin B., Fainstein A., Pascual
Winter M.-F., Peronne E., and Lemaitre A.; Proceedings
of the 28th International Conference on the Physics of
Semiconductors ; Vienna, Austria ; July 2006 ; AIP
[C55]. «Anisotropy of the electron Landé g factor in
InAs/GaAs self-asembled quantum dots»; Testelin C.,
Aubry E., Eble B., Bernardot F., Chamarro M. and
Lemaître A. ; EP2DS17+13MSS ; Genova, Italy ; 1-20
July 2007 ; à paraître dans Physica E 2007.
[C43]. «Selective optical generation of a coherent
acoustic nanocavity mode»; Pascual Winter M.-F.,
Rozas G., Jusserand B., Perrin
B., Fainstein A.,
Saravanan S., and Vaccaro P.; Proceedings of the 28th
Semiconductors ; Vienna, Austria ; July 2006 ; AIP
Conférences invitées dans congrès internationaux
•
«Organic QW based on conjugated polymers»;
Schott M.; Optics of excitons in confined
systems ; Lecce (Italie); 2003
•
«Exciton in a single organic quantum wire»;
Voliotis V., Dubin F., Grousson R., Melet R.,
Barisien T., Legrand L., Schott M.; 9th
International Conference on Optics of Excitons
in Confined Systems ; Southamphton ; 2005
•
«Excitons as Boson»; M. Combescot ; 2nd
International Conference on Spontaneous
Coherence in Excitonic Systems ICSCE2 ; 2005
•
«Organic Semiconductor quantum Wires:
Isolated polydiacetylene chains»; Schott M. ;
8th European Conference on MolecularElectronics ECME8 ; Bologne (Italie); 2005
•
«Spin waves of the spin polarized twodimensionnal electron gas»; Perez F.,
Jusserand B. and Karczewski G. ; Fourth
International workshop on advances in growth
and characterization of II-VI semiconductors ;
Würzburg (Allemagne); 2005
•
«Properties of excitons in a single organic wire:
evidence of a macroscopic spatial coherence»;
Barisien T., Legrand L., Melet R., Dubin F.,
Voliotis V., Grousson R., Schott M. ; Research
Conference on Photonic Nano-Objets ; France ;
2007
•
«The inconstant world of composite excitons»;
Combescot M.; PLMCN7 (Physics of lightmatter coupling in nanostructures); Cuba ;
Avril 2007
•
«Composite bosons : Novel approach to their
many-body
effects»;
Combescot
M.;
International School on Complexity ; Erice
(Sicile); 3-8 Juillet 2007
•
Cours «La physique à N corps des bosons
composites»; Combescot M.; International
workshop « Advances in physics and
applications of low-dimensional systems»;
Brasilia (Brésil); 9-21 Juillet 2007
•
«Spatial coherence and electronic structure of
polydiacetylene exciton»; Dubin F., Melet R.,
Legrand L., Barisien T., Grousson R.,
Voliotis V., Schott M.; DPC07 Internation
Conderence on Dynamical processes in excited
solid states ; Segovia ; juin 2007
[C44]. «Resonant Raman scattering of cavity confined
acoustic phonons in an optical microcavity»; LanzillottiKimura N.-D., Fainstein A., Jusserand B., and
Lemaitre A.; Proceedings of the 28th International
Conference on the Physics of Semiconductors ; Vienna,
Austria ; July 2006 ; AIP Conference Proceedings ; 893 ;
1141 ; 2007
[C45]. «Whole spectrum of the spin polarized two
dimensional electron gas»; Perez F., Jusserand B.,
Karczewski G.; ICPS27, Flagstaff ; July 2004 ; AIP
Conference Proceedings ; 772 ; 1295-6 ; 2005
[C46]. «Single Particle and collective spin excitations
in semimagnetic quantum wells»; Perez F., Jusserand B.,
Richards D., Karczewski G.; EP2DS, Warsaw, Poland ;
June 10 – 13, 2004 ; Acta Physica Polonica ; 106 ; 311 ;
2004
[C47]. «Spin Susceptibility Enhancement of a Spin
Polarized Two Dimensional Electron Gas Determined by
Raman Spectroscopy»; Perez F., Aku-Leh C.,
Jusserand B., Richards D., and Karczewski G.; ICPS28,
Vienna, Austria ; July 24-28 2006 ; AIP Conf. Proc.;
893 ; 1295 ; 2007
[C48]. «Single Particle Parameters of a Spin Polarized
Electron Gas in CdMnTe Quantum Wells: Comparison
between Raman Scattering and Photoluminescence»;
Aku-Leh C., Perez F., Jusserand B., Richards D., and
Karczewski G.; ICPS28, Vienna, Austria ; July 24-28
2006 ; AIP Conf. Proc.; 893 ; 1195 ; 2007
[C49]. «Spin Waves of the Spin-Polarized Electron
Gas in Semimagnetic Quantum wells»; Perez F., D.
Richards, Jusserand B., and Karczewski G.; 12th
International Conference on II-VI Compounds ; Warsaw ;
12-16 september, 2005 ; Physica Stat. Sol. (b) ; 243 (4) ;
873 ; 2006
[C50]. «Measuring the Zeeman energy and the spin
polarization degree of a 2DEG in Cd1-xMnxTe quantum
wells»; Aku-leh C., Perez F., Jusserand B., Richards D.
and Karczewski G.; 13th International Conference on
Modulated Semiconductor Structures ; Genova ; 15-20
July, 2007 ; to appear in Physica E
[C51]. «Spin Waves Dispersion of a Spin-Polarized
2DEG»; Perez F., Aku-Leh C., Jusserand B., Richards D.,
and Karczewski G. ; 17th International Conference on
Electronic Properties of Two-Dimensional Systems ;
Genova ; 15-20 July, 2007 ; to appear in Physica E
[C52]. «Excitons in molecular J-aggregates of cyanine
dyes: simulation of trapping and energy transfer»;
Lemaistre J. P.; Dynamical Processes Conference
DPC07 ; Ségovie, Espagne ; June 17-22 2007 ; accepté
dans J. of Lumin. 2007
Thèses et HDR
•
« Dynamique des spins électroniques et
excitoniques
dans
les
hétérostructures
semiconductrices 2D et OD mesurée par
rotation Faraday résolue en temps », Tribollet
Jérôme, thèse UPMC, 2003
•
« Exciton dans un fil quantique organique »,
Dubin François, thèse UPMC, 2004
•
« Magneto-optical study of semimagnetic
semiconductor CdMnTe and its applications to
the study of intermediate-state flux patterns of
type-I superconductor thin films », Okada
Takanori, thèse UPMC (co-tutelle), 2005
[C53]. «Domain wall dynamics in annealed GaMnAs
epilayers»; Dourlat A., Jeudy V., Gourdon C., Thevenard
L., Lemaître A.; Fourth International Conference on
Spintronics and Quantum Information Technology
(Spintech IV) ; Hawaii, USA ; June 17-22, 2007 ; à
paraître dans Journal of Superconductivity and Novel
Magnetism 2007.
[C54]. «Experimental Determination of Domain Wall
Width and Spin Stiffness Constant in Ferromagnetic
GaMnAs with Perpendicular Easy Axis»; Dourlat A.,
Gourdon C., Jeudy V., Khazen K., Von Bardeleben H.J.,
Thevenard L., Lemaitre A. ; 13th
International
Conference on Modulated Semiconductor Structures ;
Genova, Italy ; 15-20 July, 2007; à paraître dans Physica
E 2007.
26
•
•
Contrats et Valorisation
« Excitons
dans
un
fil
quantique
semiconducteur », Voliotis Valia, HDR UPMC,
2006
« Relaxation et décoherence de spin de porteurs
localisés
dans
des
nanostructures
semiconductrices 0D », Aubry Emilie, thèse
UPMC, 2007
Contrats publics
•
ACI Jeunes chercheurs : « Instabilités du flux
magnétique dans les supraconducteurs »
(02/2002-12/2004) ; V. Jeudy, C. Gourdon
•
ACI "Jeune chercheur" 2002-2004 "Cohérence
de spin dans les boîtes quantiques" : C.
Testelin
•
Programme franco-tunisien CMCU n°
04S1316 "Croissance, Optique et dynamique
de spin dans des boîtes quantiques III-V"
(INSP, LPN-Marcoussis, Université de
Carthage).responsable Christophe Testelin
•
ACI-Nano : « Nanodyne » (11/2003-11/2006)
M. Jouanne, M.A. Kanehisa, J.F. Morhange
•
SESAME-Region IdF : « Optique ultrarapide
dans les nano-objets » (03/2004-03/2008)
Grousson Roger
•
Crédits mi-lourds 2004 SPM "Source picoseconde" R. Grousson
•
Crédits mi-lourds 2004 STIC "Contrôle
cohérent dans un nano-objet individuel" R.
Grousson
•
Crédits de réinstallation 2005 «Magnétisme
des nanostructures », C. Gourdon, C. Testelin
•
Crédits
mi-lourds
2006
MPPU
:
"Spectroscopie
et
Magnétisme
de
nanostructures semiconductrices sous fort
champ magnétique": C. Testelin, C. Gourdon,
B. Jusserand
•
Contrat
de
coopération
CNRSAIST(Japon)(n°18050)
•
Coopération Scientifique entre l’Académie
Polonaise des Sciences et le CNRS (DRI)
Projet 18265 : Semiconducteurs II-VI a grand
gap pour la spintronique (2005-2006).
•
Polonaise des Sciences et le CNRS (DREI)
Projet 20145 : Etudes de structures à une et
deux dimensions de semiconducteurs à base de
composés du Zinc (2007).
•
ANR-06-NANO-013 « Nanochimie et
Nanophysique de Polydiacétylènes Rouges »,
NANOPDAR,
(01/2007-12/2008)
;
responsable scientifique INSP : L. Legrand.
•
C’nanoIdF « Contrôle Cohérent Excitonique
dans un Fil Quantique Organique », CEFQUO
(11/2006-05/2008) ; Correspondant principal :
T. Barisien.
•
C’Nano IdF MANOS (12/2006-05/2008) :
"Manipulation optique du spin confiné dans les
nanostructures semiconductrices" : C. Testelin
•
Programme bilatéral MAE franco-argentin
ECOSSud : « Ingénierie de phonons
acoustiques confinés en microcavités »,
B.Jusserand (2005-2007)
Contrat EPSRC (Engineering and Physical
•
Science Research Council- Royaume-Uni)
« Spin-polarized
electron
gases
in
semimagnetic quantum wells » GR/T27907/01
et EP/C001966/1
•
Crédits mi-lourds 2006, « Spectroscopie
Raman » B.Jusserand
•
ANR-PNANO :
NANOSONIQUE,
B. Jusserand et B. Perrin (2006-2008)
Coopérations internationales
•
Pr Andrejs Cebers (Université de Lettonie)
Prof. invité Paris 7 2005 et 2007- Prof. invité
UPMC 2005 et 2007.
•
Pr Grzegorz Karczewski (Institut de PhysiqueVarsovie)
•
Pr Evgenius L. Ivchenko (Institut Ioffe, St
Petersbourg)
•
Dr Xue Lun Wang, (Nanotechnology Research
Institute , AIST, Tsukuba, Japon)
Contrat
de
coopération
CNRSAIST(Japon)(n°18050)
•
Pr Marc-André Dupertuis (EPFL, Lausanne,
Suisse) chercheur invité CNRS 2006
•
Pr K. Cho K et Dr H. Ajiki (Osaka University,
Japon)
•
Pr Gerhard Weiser (Faculty of Physics and
Centre of Material Science, PhilippsUniversität, Marburg, Allemagne).
•
Dr David Richards (Physics Department,
King’s
College,
London,
UK)
•
Dr Daniel Wolverson (Physics Department,
Bath University, Bath, UK)
•
Dr Alejandro Fainstein (CAB, CNEA,
Bariloche, Argentina)
Programme bilatéral MAE franco-argentin
ECOSSud (2005-2007) et ANR P-NANO
Nanosonique
•
Dr Jalali Bahram (UCLA, USA)
•
Dr Wojtek Szuszkiewicz (Institut de Physique,
Académie des Sciences Polonaises, Varsovie)
Polonaise des Sciences et le CNRS : Projet
18265 et projet 20145
•
Dr Emmanuel Haro-Poniatowski, Dr Juan
Hernandez-Rosas
(Laboratorio
d'optica
quantica, Universidad Autonoma Metropolitana
Iztapalapa, Mexico)
•
Dr Rosalia Serna (Instituto de Optica, CSIC,
Madrid)
•
Pr M.A. Maaref et Dr A. Melliti (Université de
Carthage, Tunisie)
Programme franco-tunisien CMCU n° 04S1316
Enseignement de 3ème cycle
« La physique à N corps des bosons composites »
cours de 10 heures, niveau 3e cycle :
Monique Combescot
Rome, Mars 2006
Innsbruck, Mai 2006
Paris, Novembre 2006
Pittsburgh, Mars 2007
27
•
Organisation conférences
Journées scientifiques et colloques nationaux :
•
Voliotis Valia, 9èmes JMC : Minicolloque
« Spectroscopie et microscopie optiques de
nano-objets individuels », 2004 Nancy
•
Jeudy Vincent, 10èmes JMC : Minicolloque
« Systèmes auto-organisés en domaine », 2006
Toulouse
•
Jusserand
Bernard,
10èmes
JMC :
Minicolloque «Phonons
acoustiques
Nanostructures et Cristaux Phononiques »,
2006 Toulouse
•
Jusserand Bernard, Ecole internationale : « Son
et Lumière : from microphotonics to
nanophononics », IESC, Cargèse, Octobre
2006.
•
Lemaistre Jean-Pierre coorganisateur des
Journées Simulation Numérique, Universités
Paris 6 et Paris 7, 2004, 2005, 2006, 2007.
•
Lemaistre Jean-Pierre., membre du Comité
Scientifique de la conférence internationale
Excitonic Processes in Condensed Matter
EXCON2004, July 6-9 2004, Cracow (Poland).
•
Lemaistre Jean-Pierre., membre du Comité
Scientifique de la conférence internationale
Excitonic Processes in Condensed Matter
EXCON2006, June 26-30 2006, WinstonSalem, NC (USA)
•
Gourdon Catherine, organisatrice de la Journée
thématique « Electronique de spin » C’Nano Ile
de France, 2007
•
•
•
« Contrôler les sons comme on contrôle la
lumière » Bernard Jusserand La Recherche
403, 27 (Décembre 2006)
« Un fil quantique idéal », T. Barisien, L.
Legrand, et V. Voliotis, Images de la physique,
CNRS (2007)
Interventions en milieu scolaire
C . Gourdon « Ombres et lumières » 8 h classe
de CM1 2004
V. Jeudy « La matière » (Opération pilotée par
la Fondation 93, 20 h classes de CM2, 2007) ;
« Etats de la matière » (séances en CE1 et en
CM1, 2005-06).
Participation au Forum des Sciences de
l'Association Sciences, Technologies et
Société, dans le cadre de la fête de la science,
Fontenay sous Bois « Les nanotechnologies :
rêves et promesses », 14 octobre 2005
Maria Chamarro
Prix et distinctions
•
Catherine Gourdon: Materials Research Society
Fall Meeting (Boston 2004). prix pour le
meilleur manuscrit du symposium
•
François Dubin, Prix IUPAP Jeune Auteur,
semiconductors, Vienne 2006
•
Vincent Jeudy, Palmes Académiques 2005
•
Claudette Lapersonne, chevalier dans l’Ordre
National de la Légion d’honneur 2005
Vulgarisation
•
Exposition « Lumière, Lumières ! Explorer
l’invisible » Palais de la découverte Octobre
2005 - Juillet 2006 responsable de projet :
Vincent Jeudy
28
Equipe I.2 - Dispositifs quantiques contrôlés : nanofabrication, propriétés électroniques et magnétiques
(D. Roditchev)
Permanents : Cren Tristan, CR2 ; Debontridder François, IR2 ; Noat Yves, CR1 ; Roditchev Dimitri, DR2 ; Sacks William,
PU1
Non permanents : Bergeal Nicolas, ATER ; Dubost Vincent, doctorant ; Fokin Denis, doctorant ; Kohen Amir, post-doc ;
Prosliers Thomas, doctorant ; Zimmers Alexandre, ATER
1962 et mis en évidence expérimentalement peu de temps
après dans des jonctions planes.
Les 4 années écoulées ont été cruciales dans
l’évolution de notre équipe. Tout d’abord, sur le plan
thématique, nos activités traditionnelles sur les
supraconducteurs conventionnels et ceux à haute
température critique ont été enrichies et approfondies par
deux avancées de tout premier plan : l’invention par
l’équipe du microscope à effet Josephson et les premières
mesures locales du mouvement des paires de Cooper. Ces
découvertes, remarquées par la communauté scientifique
internationale, ont fait l’objet de plusieurs conférences
invitées. En même temps, une direction nouvelle
concernant l’élaboration et l’étude par STM de
nanostructures supraconductrices, annoncée à la création
de l’INSP, a été effectivement démarrée en 2006. Cette
recherche est devenue réalisable grâce à la mise au point
par l’équipe d’un nouvel ensemble expérimental (dit M3)
combinant un STM UHV basse température couplé à une
chambre UHV de dépôt et de caractérisation in-situ.
Contrairement au courant de quasiparticules, qui
ne fournit aucune information sur la cohérence de phase
de l’état supraconducteur, le courant Josephson résulte
directement du couplage entre les deux condensats. C’est
donc une véritable sonde de la cohérence
supraconductrice qui fournit des informations précieuses
sur la cohérence locale dans les nouveaux
supraconducteurs et en particulier, sur la nature du
pseudogap dans les cuprates supraconducteurs à haute Tc.
En ce qui concerne nos effectifs, l’équipe a su
accueillir 4 jeunes chercheurs : Amir Kohen et Tristan
Cren (post-doc, CNRS), Nicolas Bergeal et Alexandre
Zimmers (ATER, UPMC). Dans la même période deux
doctorants, Ronan Lamy et Thomas Proslier ont soutenu
leur thèse. Deux autres étudiants, Vincent Dubost
(soutenance prévue en 2009) et Denis Fokin (thèse en
cotutelle internationale, soutenance prévue en 2009) ont
démarré leur travail de thèse. En 2005 nous avons pu
recruter un jeune IR CNRS François Debontridder, en
remplacement de Matthieu Brown, notre IE, qui a
démissionné suite à une proposition financièrement plus
avantageuse de l’université de Karlsruhe. Enfin, l’équipe
a été renforcée en 2006 par l’embauche de Tristan Cren
en tant que chercheur au CNRS.
a)
b)
c)
d)
Conductance dI/dV, u.a.
Dans un premier temps, nous avons développé
des pointes supraconductrices [12] grâce auxquelles la
résolution spectroscopique a pu être significativement
améliorée et utilisée ultérieurement pour l’imagerie des
super-courants [14]. Dans un deuxième temps, nous
avons mesuré le courant de paires de Cooper entre une
pointe supraconductrice et une surface de MgB2 (Figure
1) et réalisé ainsi une véritable cartographie de la
cohérence de phase [15].
Tension tunnel, mV
1) Supraconducteurs conventionnels.
Figure 1. Cartographie Josephson de la surface
220nmx220nm d’une couche mince de MgB2. a) image
topographique STM ; b) la carte de conductance dI/dV
en régime Josephson à V=2mV ne donne pas
d’information sur l’état supraconducteur ; c) la carte
dI/dV en régime de quasiparticules révèle les zones
« gappées » et « non-gappées » sans renseigner
directement sur le condensat ; d) la carte du courant
Josephson (pic dI/dV à tension V=0) permet de
distinguer les zones supraconductrices des zones où le
condensat est détruit. En encadré : une sélection des
spectres tunnel provenant des 4 endroits différents
montre la variation spatiale de l’amplitude du courant.
Bergeal Nicolas, Cren Tristan, Debontridder François,
Dubost Vincent, Kohen Amir, Noat Yves, Prosliers
Thomas, Roditchev Dimitri, Sacks William
Références : [1], [2], [4], [5], [9], [10], [11], [12], [14],
[15], [16], [17], [20]
Microscope à effet Josephson.
Depuis 4 ans, nos efforts se sont concentrés sur la
réalisation d’un nouveau moyen d’étude des
supraconducteurs : le microscope à effet Josephson.
L’idée de base est d‘utiliser, au cours d’une
expérience STM basse température, une pointe
supraconductrice à la place d’une pointe métallique
traditionnelle. A faible résistance tunnel entre la pointe et
la surface (supraconductrice) les paires d’électrons –
paires de Cooper - qui se forment dans l’état
supraconducteur ont une probabilité non nulle de
traverser la jonction par l’effet tunnel des paires. Il en
résulte un courant à tension nulle prédit par Josephson en
Plus récemment, nous avons étudié les variations
locales du courant Josephson dans un réseau de vortex
dans V3Si. Ces résultats montrent, conformément à nos
attentes, que le courant Josephson s’annule au cœur d’un
vortex. Il reste à préciser l’échelle caractéristique de cette
29
suppression et à la comparer à celle obtenue par la
mesure du spectre de quasiparticules [14,15].
nous a permis de déduire de manière précise les deux
longueurs caractéristiques de la supraconductivité, la
longueur de pénétration du champ λ et la longueur de
cohérence ξ [14] qui sont particulièrement difficiles à
déterminer précisément par d’autres techniques.
Etude du superfluide en mouvement par l’effet
Doppler.
Forts de nos avancées expérimentales en
microscopie Josephson, nous avons profité de la haute
résolution en énergie offerte par les pointes
supraconductrices afin d’étudier localement le
mouvement des paires de Cooper. C’est grâce à l’effet
Doppler, qui modifie le spectre d’excitations élémentaires
d’un supraconducteur par rapport au condensat au repos,
que cette étude a été rendue possible. En effet, un tel
phénomène a été prévu il y a longtemps par P.-G. De
Gennes mais, donnant une correction assez faible à la
densité d’états des quasiparticules, il n’a été mis en
évidence que dans les jonctions planes.
A
niobium
augmenté
avons pu
Perspectives : En utilisant cette nouvelle
technique « de pointe » nous comptons imager les supercourants circulants dans des îlots supraconducteurs de
dimensions mésoscopiques (voir la thématique
« Supraconductivité confinée » ci-dessous). Notre but est
de visualiser en direct comment un vortex pénètre dans
un échantillon supraconducteur.
L’étude des nouveaux supraconducteurs.
Ces dernières années, plusieurs nouveaux
supraconducteurs ont été découverts. Certains d’entre
eux, en particulier MgB2 et CaC6, ayant des températures
critiques étonnement élevées, ont suscité un très grand
intérêt dans la communauté scientifique.
l’aide d’une pointe supraconductrice en
(Figure 2), nous avons considérablement
la résolution spectrale du STM. Ainsi, nous
mesurer, pour la première fois, l’amplitude
MgB2 : un supraconducteur à deux gaps.
Le troisième millénaire a commencé par la
découverte par Akimitsu et al. de la supraconductivité
dans MgB2, un composé binaire simple bien connu. Sa
température critique élevée de 39 K a immédiatement
suscité un effort important de recherche.
La structure électronique de MgB2 est très
particulière: elle est composée d'électrons de caractère
bidimensionnel, située dans les plans formés par les
atomes de bore, mais aussi d'électrons de caractère
tridimensionnel. Plusieurs travaux ont montré que
l'interaction électron-phonon était très forte dans ce
matériau. Les spectres tunnel, qui reflètent la densité
d’états électroniques du matériau, se caractérisent dans
l’état supraconducteur par des pics de cohérence
dédoublés (au lieu d’un seul pic de part et d'autre du
niveau de Fermi, dans le cas d’un supraconducteur BCS
habituel [2,4,5,9,10]. L’interprétation de ces deux pics est
simple : alors qu'un seul gap est attendu dans le cas d'un
supraconducteur classique, deux gaps sont nécessaires
pour décrire MgB2 : l’un pour la bande 2D et l’autre pour
la bande 3D!
Figure 2. Les cartes STS 210nmx210nm du réseau des
vortex dans NbSe2 obtenues avec une pointe en Nb.
Ces cartes de la conductance tunnel ont été prises
simultanément à des tensions tunnel suivantes : (a) –
2,6mV ; (b) –2,2mV ; (c) – 1,6mV. Elles mettent en
évidence la variation de la taille/forme apparentes des
vortex avec l’énergie des quasiparticules due à l’effet
Doppler des paires de Cooper en mouvement
entourant les cœurs de vortex.
Cette situation inattendue a pour conséquence un
diagramme de phases très particulier. En champ
magnétique faible, ce supraconducteur écrante les flux
magnétiques essentiellement grâce aux paires de Cooper
issues des électrons de la bande tridimensionnelle car leur
densité d’états au voisinage du niveau de Fermi est plus
forte. Par contre, au fur et à mesure que le champ
magnétique augmente, il détruit la supraconductivité
faible de cette bande et le super-courant d’écrantage n’est
supporté que par les paires de Cooper des électrons 2D !
Malheureusement, il n’a pas été possible d’étudier ce
changement inédit en spectroscopie tunnel à balayage car
en géométrie STM usuelle le signal tunnel de la bande 3D
domine et masque le gap supraconducteur de la bande
2D. Ceci rend la mesure STS directe des vortex en champ
fort très délicate voire impossible.
Figure 3 : Spectres de la conductance tunnel obtenus à
des distances différentes du cœur de vortex. En
approchant la pointe vers le centre d’un vortex les pics
de conductance (A) s’effondrent (du rouge au gris
clair) suite à l’intensité croissante du super-courant de
paires de Cooper. Près du cœur de vortex la distance
les pics se déplacent vers plus basse énergie (en noir)
indiquant la disparition des paires de Cooper au cœur
du vortex (B).
Pour surmonter ce problème, nous avons élaboré
une nouvelle méthode expérimentale que nous avons
appelée Lazy Fisherman [11]: la pointe STM est
maintenue immobile et ce sont les vortex qui se déplacent
sous la pointe grâce à l’augmentation lente du champ
magnétique. Les spectres tunnel sont mesurés
continûment ; leur forme renseigne sur la présence d’un
vortex sous la pointe STM. Une étude statistique des
résultats de nos expériences a démontré l’existence un
locale des super-courants circulant autour des vortex dans
le supraconducteur 2H-NbSe2 (Figure 3). Cette mesure
30
propriétés électroniques, qui dépendent sensiblement de
la densité de porteurs p, diffèrent fortement de celles d’un
métal conventionnel. Le modèle de la supraconductivité
conventionnelle de Bardeen, Cooper et Schrieffer, dont le
paramètre du gap Δ fixe la température critique, s’est
avéré insuffisant [1].
régime transitoire au voisinage de 0,5-1,0T [20],
l’hypothèse étant que le réseau des vortex se brise pour se
reformer de nouveau à plus haut champ magnétique. Une
étude en diffraction des neutrons faite par nos collègues
de l’Institut Laue-Langevin de Grenoble a démontré que,
à ces valeurs du champ magnétique le réseau des vortex
tournait de 30°.
Le problème-clé des cuprates est que le gap dans
le spectre d’excitations ne s’annule pas au dessus de la
température critique (T>Tc) ni dans le cœur de vortex à
basse température. Or dans ces deux cas la fonction
d’onde supraconductrice doit nécessairement s’annuler.
Dans ces deux situations, au lieu de l’état normal, ayant
une densité d’états quasi-constante, un gap persiste au
niveau de Fermi appelé pseudogap. Les expériences clés
(STM, ARPES, RMN, etc.) menées sur une période de
dix ans montrent l’existence d’une deuxième échelle
d’énergie. Ce nouvel état électronique surmonte le dôme
supraconducteur dans le diagramme de phase (T, p) mais
son origine n’est toujours pas élucidée. Dans une
première hypothèse le pseudogap représente un état de
paires non condensées (modèle de paires ‘préformées’). Il
pourrait également s’agir d’un état spatialement ordonné
(onde de spin ou de charge), en compétition avec l’ordre
supraconducteur. Nos travaux sur le désordre faible, qui
provoque localement un état pseudogap à basse
température et sans champ magnétique [Phys. Rev. Lett.
84, 147 (2000), Europhys. Lett. 54 (2001)] est en accord
qualitatif avec la première hypothèse.
CaC6 : un graphite intercalé supraconducteur
Les composés aux graphites ont également été
sous le feu des projecteurs. Ainsi en 2005, le graphite
intercalé par du calcium CaC6 a vu le jour.
Grâce à une collaboration avec l’équipe de C.
Hérold du Laboratoire de Chimie du Solide Minéral
(UMR CNRS 7555) à Université Henri Poincaré de
Nancy initiée par G. Loupias de Institut de Minéralogie et
de Physique des Milieux Condensés (IMPMC-UMR
7590), nous avons pu étudier en STM les tout premiers
échantillons de ce matériau. Contrairement à MgB2, les
premières mesures sur un monocristal de CaC6 n’ont pas
mis en évidence de double-gap. La forme des spectres est
compatible avec les prédictions de la théorie BCS, avec
un gap de l’ordre de 1.6 meV (Figure 4). Cependant, nos
mesures sont compatibles avec une petite anisotropie du
paramètre d’ordre. La dépendance en température suit
également celle de la théorie BCS et la fermeture du gap
s’effectue à la température critique d’environ 11K, en
accord avec les mesures macroscopiques [17].
Modélisation
des
élémentaires des cuprates.
spectres
d’excitations
L’objet de nos travaux les plus récents est de
comprendre théoriquement le paradoxe d’un paramètre
du gap qui n’est pas le paramètre d’ordre. Dans le cas des
cuprates, le spectre de quasiparticules a également une
allure non conventionnelle. En particulier, la présence
d’une singularité supplémentaire à une énergie au delà
des pics de cohérence est caractéristique (voir région
« S » , Figure 5). Nous avons proposé un modèle
heuristique [18] dans lequel le paramètre du gap devient
dynamique et résonant à une fréquence caractéristique.
Ce modèle permet un ajustement de bonne qualité
aux spectres expérimentaux (en trait rouge sur la figure
5), et ceci avec peu de paramètres ajustables. Grâce au
dépouillement d’un grand nombre de ces spectres pris sur
des échantillons ayant des dopages différents, nous avons
pu corréler l’amplitude de l’effet résonnant avec la Tc,
Conductance tunnel
Figure 4. Supraconductivité de CaC6. a) Image STM
montre les terrasses et les marches mono-atomiques
obtenues grâce au clivage sous ultravide ; b) Evolution
des spectres tunnel avec la température ; c)
Comparaison entre les valeurs calculées du gap (points)
et la courbe BCS.
2) Cuprates – supraconducteurs à haute Tc
Cren Tristan, Debontridder François, Noat Yves,
Roditchev Dimitri, Sacks William, Zimmers Alexandre
Références : [1], [18]
Tension tunnel (mV)
Figure 5. En noir : Spectre tunnel obtenu au cours
d’une expérience STS sur BiSrCaCuO à T=4,2 K. Le
fond spectral a été soustrait et le spectre a été
symétrisé par rapport au niveau de Fermi (V=0). En
rouge : courbe théorique obtenue dans le cadre du
modèle proposé [18].
Le mécanisme de la supraconductivité à haute
température critique n’est toujours pas élucidé malgré
l’effort à l’échelle mondiale durant ces vingt dernières
années. Ces matériaux forment une classe de cuprates
lamellaires proche d'une phase isolante antiferromagnétique (isolant de Mott). De ce fait, leurs
31
STM/STS sur les cuprates dopés aux électrons seront
poursuivies.
l’échelle de l’énergie de condensation. À l’opposé, la
largeur du gap ne reflète pas l’énergie de condensation.
L’existence de ces deux échelles d’énergie dans notre
modèle est en bon accord avec l’allure du diagramme des
phases.
3) Supraconductivité
nanostructures Pb/Si
Perspectives : Il reste à donner une explication
microscopique pour le modèle heuristique ainsi que la
dynamique particulière exprimée par la fonction du gap.
Quelques équipes proposent le couplage fort des
quasiparticules avec un mode collectif, mais notre piste
actuelle est la considération des fluctuations quantiques
du paramètre du gap. Cette approche, intimement liée à
l’hypothèse des paires fluctuant dans l’état pseudogap,
serait une explication simple du diagramme des phases.
confinée
dans
les
Cren Tristan, Debontridder François, Dubost
Vincent, Fokin Denis, Roditchev Dimitri, Sacks William
Il s’agit d’une thématique nouvelle de l’équipe.
Le projet concerne l’étude de la supraconductivité
confinée dans des îlots 2D de plomb sur silicium,
Pb/Si(111), élaborés in-situ. Nous nous intéressons à
l’influence du confinement sur l’état supraconducteur
ainsi qu’à la pénétration du champ magnétique dans des
nano-îlots supraconducteurs de dimensions de l’ordre de
quelques longueurs de cohérence, soit quelques centaines
de nanomètres. Ce système présente un comportement
physique extrêmement riche comme, par exemple, la
compétition entre deux ordres magnétiques : réseau de
vortex versus vortex géants (vortex à plusieurs quanta de
fluxoïde) qui n’a pour l’instant jamais été observée
directement.
Spectroscopie à effet tunnel dans les cuprates
dopés aux électrons : le cas de Sm 1.85 Ce 0.15 CuO2.
Plusieurs sondes macroscopiques, telles que la
photoémission et la spectroscopie infrarouge, ont montré
la superposition de la phase antiferromagnétique et
supraconductrice dans le diagramme de phase des
cuprates supraconducteurs dopés aux électrons. Des
mesures de diffraction inélastique de neutrons ont montré
que cet ordre n’est jamais à longue portée mais existe
sous forme de fluctuations avec une taille caractéristique
de 200Å. La question est alors de savoir si, localement,
l’ordre antiferromagnétique et la supraconductivité
coexistent ou si le système présente une séparation de
phase comme on peut le voir dans les manganites.
Premièrement, nous avons mis au point une
technique de préparation d’îlots de plomb sur Si(111) qui
nous permet de faire varier leur taille, leur épaisseur et
leur forme en fonction des conditions de dépôt et de
recuit (Figure 7).
Nous avons remarqué que la pointe du STM
Pour répondre à cette question, nous avons
effectué les premières mesures locales par microscopie à
effet tunnel du supraconducteur Sm2-xCexCuO4
optimalement dopé x=0.15, Tc=15K. La figure 6 montre
un spectre brut typique de la conductance tunnel à basse
température (T<Tc). Celui-ci présente deux gaps: (i) celui
de basse énergie (indiqué par les flèches rouges) est le
gap supraconducteur et se ferme à Tc; (ii) celui de haute
énergie (indiqué par les flèches bleues) présente toutes les
caractéristiques du pseudogap vu en optique et en
photoémission. Si l’on interprète celui-ci comme étant la
signature d’antiferromagnétisme dans l’échantillon, alors
nos mesures indiquent pour la première fois la
coexistence locale d’antiferromagnétisme et de
supraconductivité dans ces matériaux.
T=5K
gap de haute énergie
Figure 7. Image topographique (prise avec M3) des
îlots de Pb déposés à la surface de Si(111). Certains
îlots sont couronnés d’un ou plusieurs anneaux.
-1
dI/dV (MΩ )
100
50
gap supraconducteur
0
-100
-50
0
50
perturbait les îlots et pouvait provoquer la croissance de
couches supplémentaires sur un îlot au détriment des îlots
voisins. La figure 8 illustre cet effet : dans un premier
temps, nous avons à dessein appliqué une impulsion au
dessus d’un îlot à l’endroit indiqué par une étoile (Figure
8,a). Ceci a provoqué la création d’un nano-plot de Pb sur
le sommet de l’îlot qui agit comme un centre de
nucléation provoquant la croissance d’une couronne de
plomb, figure 8 (a), (b), (c). La matière de la couronne
provient des îlots voisins dont on voit l’un, visible sur
l’image (a), disparaître. Dans un second temps nous
100
Tension (mV)
Figure 6. Le spectre tunnel de SmCeCuO à l’état
supraconducteur montre l’existence de deux échelles
d’énergie caractéristique.
Perspectives : Bien qu’encourageants, ces
résultats restent insuffisants pour la compréhension
détaillée des phénomènes observés, et les études
32
avons réalisé un nano-plot de Pb, figure (d), en
appliquant une impulsion au dessus de l’îlot.
de mesure (nouveau câble, pont-diviseur cryogénique) et
des vibrations mécaniques ont été apportées afin
d’améliorer les performances du microscope.
Perspectives : Ces optimisations devraient
faciliter l’utilisation de notre STM en mode Josephson ce
qui était auparavant un véritable tour de force. Ainsi,
nous pourrons appliquer cette technique à une plus large
variété de composés, et en particulier, aux cuprates.
340nm
a)
4.2) Construction du nouveau microscope M3
b)
Cren Tristan, Debontridder François, Roditchev
Dimitri
c)
Parallèlement,
un
nouveau
dispositif
instrumental (M3) est en cours de développement depuis
2003 à Boucicaut (avec participation de Breton Françis,
Descarpentri Eric, Lantheaume Alexandre, Picard
Christian, Silembo Jules). L’élément central de ce
dispositif est un STM conçu et fabriqué à l’INSP
fonctionnant à très basse température (300mK), en fort
champ magnétique (8-10Tesla) et en ultravide (10-11
mbar). Une enceinte de préparation et d’analyse de
d)
Figure 8. Croissance de la couronne sur un îlot de Pb
choisi, a), b) et c) provoquée par l’action de la pointe
en a). d) Nano-écriture au centre de l’îlot.
Perspectives : Notre priorité est maintenant
d’observer ces îlots à basse température (300 mK), sous
champ magnétique, afin de voir comment les vortex
entrent et interagissent au sein d’un îlot. Nous
chercherons en particulier à observer la fusion de
plusieurs vortex en un seul vortex géant qui est supposée
se produire lorsque le champ magnétique approche le
champ critique. Notre seconde priorité sera d’observer
directement comment un vortex pénètre dans un îlot.
Pour cela, notre technique d’imagerie des super-courants
à l’aide d’une pointe supraconductrice nous sera fort
utile puisque la théorie prévoit que des super-courants
d’écrantage circulent autour de l’îlot avant qu’un
nouveau vortex n’entre.
4) Développement expérimental.
4.1) Améliorations du microscope existant (M2)
Cren Tristan, Debontridder François, Kohen
Amir, Noat Yves, Proslier Thomas, Roditchev Dimitri,
Sacks William
Depuis la construction au GPS par Jean Klein,
William Sacks et Dimitri Roditchev en 1993 du premier
microscope STM français fonctionnant à basse
température (surnommé M1), le développement de
nouveaux instruments occupe toujours une place
importante dans les activités de l’équipe.
Le deuxième
système STM/STS basse
température construit au laboratoire par Dimitri
Roditchev, William Sacks et Francis Breton en 1999
(M2), a subi une profonde rénovation depuis son
déménagement de Jussieu à Boucicaut en 2003. Ce
dispositif, comprenant un STM fonctionnant à 4,2K en
champ magnétique (6T) sous ultravide (10-9mbar) puis en
le gaz d’échange (He4 pur), est destiné à l’étude des
propriétés électroniques locales des supraconducteurs, en
particulier en jonction SIS avec des pointes
supraconductrices. De nombreuses améliorations
concernant le vide (ajout d’un sas d’introduction rapide et
d’un système de nettoyage de surfaces par bombardement
ionique) ainsi qu’au niveau du bruit provenant du circuit
surface est reliée à la chambre du microscope, ouvrant la
33
voie à l’élaboration in-situ de dispositifs quantiques
(nano-fils, plots supraconducteurs, etc.). La chambre
d’analyse et de préparation de surfaces comprend un
LEED, un Auger, un spectromètre de masse, un triple
évaporateur et un canon à ion, a été mise en service début
2006.
5) Perspectives générales.
Au cours de 4 années écoulées deux directions
principales se sont cristallisées.
La première, plus traditionnelle pour l’équipe,
aborde les problématiques liées aux origines de la
supraconductivité dans les composés divers et l’étude de
leur diagramme de phases. L’invention du microscope à
effet Josephson va doter ce type d’études d’un moyen
permettant de sonder directement le condensat
supraconducteur. En combinant cette nouvelle
microscopie avec la STS conventionnelle (en régime de
quasiparticules) nous espérons pouvoir résoudre
l’énigme du gap et du pseudogap dans les
supraconducteurs à haute température critique.
Compte tenu des délais de fabrication du
réfrigérateur cryogénique 300mK, point clef de ce
dispositif expérimental, une première version du
microscope fonctionnant à des températures 150-300K a
été installée fin 2006. Une fois validées les performances
du STM sur la surface reconstruite 7x7 de Si(111), les
premières expériences de croissance d’îlots de plomb
évaporé in-situ sur Si(111) et Si(557) ont démarré. Ces
travaux, qui s’inscrivent dans la thèse de Vincent Dubost
et celle de Denis Fokin, doivent se poursuivre à basse
température et ont pour objet de révéler les effets du
confinement sur la supraconductivité d’îlots individuels.
La deuxième problématique concerne le rôle que
pourrait jouer le confinement dans les propriétés
électroniques
locales
des
nanostructures
supraconductrices ou magnétiques. C’est pour aborder
les thèmes variés de ce nouveau domaine très riche que
nous avons entrepris au cours de ces cinq dernières
années les travaux lourds de la mise au point du nouvel
ensemble expérimental M3. L’existence de deux
microscopes complémentaires en état de fonctionnement,
d’une part, et la taille de l’équipe désormais raisonnable,
d’autre part, nous permettra d’avancer dans ces deux
grandes directions quasi-simultanément.
Perspectives :Le dispositif cryogénique 300mK
est actuellement en phase de tests en Angleterre et
devrait être livré mi-2007. L’acquisition d’un pyromètre
optique courant 2007 devrait permettre une meilleure
maîtrise du protocole de traitement thermique sous
ultravide des surfaces de silicium et garantir ainsi la
qualité des substrats avant dépôt de plomb.
Publications
[1].
«Une technique de pointe dans l’étude des
supraconducteurs : spectroscopie tunnel à
balayage»; Roditchev D., Sacks W.,
Klein J. ; Images de la Physique ; 1 ; 65 ;
2003
[2].
[3].
[4].
[8].
«Quasiparticle state density on the surface
of superconducting thin films of MgB2»;
Roditchev D., Bobba F., Lamy R. ;
Supercond. Sci and Tech ; 16 ; 167 ; 2003
«Conductance of single-atom platinum
contacts: Voltage dependence of the
conductance histogram»; Nielsen S.K.,
Noat Y., Brandbyge M., Smit R.H.M.,
Hansen K., Chen L.Y.,. Yanson A.I,
Besenbacher F., van Ruitenbeek J.M. ;
Phys. Rev. B ; 67 ; 245411 ; 2003
[9].
«Magneto-optical imaging with diluted
magnetic semiconductor quantum wells»;
Gourdon C., Jeudy V., Menant M.,
Roditchev D., Le Anh Tu, E.L.Ivchenko,
G. Karczewski ; Appl. Phys. Lett. ; 82(2)
230-232 ; 2003
«MgB2: an old material a new
superconductor. An extensive scanning
tunneling
spectroscopy
study»;
Cucolo A.M., Bobba F., Giubileo F.,
Roditchev D. ; Physica A ; 339 ; 112 ;
2004
[10].
«Quasiparticle state density on the surface
of superconducting thin films of MgB2»;
Bobba F., Roditchev D., Lamy R., Choi EM., Kim H-J., Kang W. N., Ferrando V.,
Ferdeghini C., Giubileo F., Sacks W.,
Lee S-I., Klein J., Cucolo A-M. ;
Supercond. Sci and Tech.; (16) 167-170;
2003
«Two-Gap Interplay in MgB2: A
Tunneling
Spectroscopy
Study»;
Roditchev D., Giubileo F., Bobba F.,
Lamy R., Choi E-M., Kim H-J., Kang W.
N., Miraglia S., Marcus J., Sacks W.,
Klein J., Cucolo A-M., Lee S-I.,
Fruchart D. ; Physica C ; 408-410 ; 768 ;
2004
[11].
«Superconducting vortex profile from
fixed point measurements the "Lazy
Fisherman"
tunneling
microscopy
method»; Kohen A., Cren T., Proslier Th.,
Noat Y., Sacks W., Roditchev D.,
Giubileo F., Bobba F., Cucolo A. M.,
Zhigadlo N., Kazakov S. M., Karpinski J.;
Appl. Phys. Lett. ; 86 ; 212503 ; 2005
[5].
«Scanning Tunneling Spectroscopy on
MgB2 thin films»; Bobba F., Lamy R.,
Roditchev D., Sacks W., Klein J.,
Ferrando V., Ferdeghini C., Giubileo F.,
Cucolo A-M. ; Int. J. Mod. Phys. B ; 17 ;
446 ; 2003
[6].
«Scanning Tunneling Spectroscopy on the
GdSr2RuCu2O8 compound»; Bobba F.,
Giubileo F., Combos M., Noce C.,
Vecchione
A.,
Cucolo
A-M.,
Roditchev D., Lamy R., Sacks W.,
Klein J. ; Int. J. Mod. Phys. B ; 17 ; 608 ;
2003
[12].
«Fabrication and characterization of
scanning
tunneling
microscopy
superconducting Nb tips having highly
enhanced critical fields»; Kohen A.,
Noat Y., Proslier, T., Lacaze E., Aprili M.,
Sacks W., Roditchev D .; Physica C ; 419 ;
2004-2005
[7].
«Current induced transition in atomicsized contacts in metallic alloys»;
Heemskerk J.W., Noat Y., Bakker D.J.,
van Ruitenbeek J.M, Thijsse B.J.,
Klaver P. ; Phys. Rev. B ; 67 ; 115416 ;
2003
[13].
«Local symmetries and order-disorder
transitions in Wigner islands»; Coupier G.,
Guthmann C., Noat Y., Saint Jean M. ;
Physical Review E ; 71 ; 1 ; 2005
34
[14].
«Probing the Superfluid Velocity with a
Superconducting Tip: The Doppler Shift
Effect»; Kohen A., Proslier Th., Cren T.,
Noat Y., Sacks W., Berger H., and
Roditchev D. ; Phys. Rev. Lett. ; 97 ;
027001 ; 2006
[15].
«Probing the superconducting condensate
on a nanometer scale»; Proslier Th.,
Kohen A., Noat Y., Cren T., Roditchev D.
and Sacks W. ; Europhysics Letters ; 73
(6) ; pp. 962-968 ; 2006
[16].
«Recent progress in vortex study by
tunnelling spectroscopy»;
Kohen A.,
Cren T., Noat Y., Proslier T., Giubileo F.,
Bobba F., Cucolo A. M., Zhigalo N.,
Kazakov S. M., Karpinski J., Sacks W.,
Roditchev D. ; Physica C ; 437-438 ; 145148 ; 2006
•
«Scanning Tunneling Spectroscopy on the
Novel Superconductor CaC6»; Bergeal N.,
Dubost V., Noat Y., Sacks W., and
Roditchev D. ; Phys. Rev. Lett ; 97 ;
077003 ; 2006
•
[17].
[18].
«Quasiparticle spectrum of the cuprate
BiSrCaCuO: Possible connection to the
phase diagram»; Sacks W., Cren T.,
Roditchev D., Ducot B. ; Phys. Rev. B ;
74 ; 174517 ; 2006
[19].
«Carbon
nanotubes
encapsulating
superconducting single-crystalline tin
nanowires»; Jankovic L., Gournis D.,
Trikalitis P.N., Arfaoui I., Cren T.,
Rudolf P., Sage M.H., Palstra T.T.M.,
Kooi B., De Hosson J., Karakassides
M.A., Dimos K., Moukarika A., Bakas T. ;
Nanoletters ; 6 ; 1131 ; 2006
[20].
«Two regimes in the magnetic field
response of superconducting MgB2»;
Kohen A., Giubileo F., Proslier Th.,
Bobba F., Cucolo A.M., Sacks W.,
Noat Y.,
Troianovski
A.
and
Roditchev D. ; European Phys. J. B ; 57 ;
21-25 ; 2007
•
•
•
•
[C1]
«Resonant emission of a single InAs/GaAs
quantum dot in a waveguiding configuration»; Melet R.,
Grousson R., Voliotis V., Roditchev D., Lemaitre A.,
Martinez A. and Ramdane A. ; AIP Conference
Proceedings , April 10, 2007 , Volume 893, pp. 913-914 ;
PHYSICS OF SEMICONDUCTORS: 28th International
Conference on the Physics of Semiconductors - ICPS
2006
•
[C2].
«Lazy Fisherman" Method of Vortex Analysis:
Application to MgB2»; Kohen A., Giubileo F., Bobba F.,
Zhigadlo N., Kazakov S.M., Klein J., Karpinski J.,
Cucolo A.M., Roditchev D. ; The J. of Phys. And Chem.
of Solids ; 67 , Issues 1-3 , 442-446 ; 2006
Thèses et HDR
•
•
•
« Lazy Fisherman Method of Vortex Study » ;
Roditchev D., Kohen A., Troyanovski A. et al. ;
Third European Conference on Vortex Matter
in Superconductors at Extreme Scales and
Conditions ; Crete, Greece ; September 20-28,
2003 (VORTEX-ESF)
«Two-Gap Interplay in MgB2 : a Tunneling
Spectroscopy Study»; Roditchev D., Lamy R.,
Bobba F., Giubileo F., Choi E.-M., Kim H.-J.,
Kang W.N., Miraglia S., Marcus J., Sacks W.,
Klein J., Cucolo A. M., Lee S.-I. and
Fruchart D.
«Tunneling Phenomena and STM spectroscopy
in Superconductors»; Roditchev D. ; 5th
European SCENET Superconducting Materials
and Applications ; Salamanca, Spain ;
30/08/2004-10/09/2004
«Recent progres in Vortex Studies by
Tunneling Spectroscopy»; Kohen A., Cren T.,
Noat Y., Proslier T., Giubileo F., Bobba F.,
Cucolo A. M., Zhigadlo N., Kazakov S.M.,
Karpinski J., Sacks W., Roditchev D ; Joint
ESF and JSPS Conference on : Vortex Matter
in Nanostructured Superconductors (VORTEX
IV) ; Crete, Greece ; 3-9 September 2005
«Probing the superconducting Condensate on
Nanometer Scale»; Proslier Th., Kohen A.,
Noat Y., Cren T., Sacks W. and Roditchev D. ;
Nanoscale Superconductivity and Magnetism
2006 A Satellite to the M2S-HTSC-VIII
Conference in School Format Supported by the
European Science Foundation Programmes :
Thin Films for Novel Oxide Devices (THIOX)
& Arrays of Quantum Dots and Josephson
Junctions (AQDJJ), Leuven (Vaalbeek) ;
Belgique ; Julillet 6-8, 2006
«Probing the Superconducting MgB2 with
Josephson STM»; Roditchev D., Bobba F.,
Giubileo F., Choi E.-M., Kim H.-J.,
Kang W.N., Miraglia S., Marcus J., Sacks W.,
Klein J., Cucolo A. M., Lee S.-I. and
Fruchart D. ; 8th International Conference on
Materials
and
Mechanisms
of
Superconductivity and High Temperature
Superconductors (M2S-HTSC-VIII) ; Dresden,
Germany ; July 9 - 14, 2006
«Mapping Super-Currents Around the Vortices
by
Scanning
Tunneling
Spectrocopy»;
Kohen A., Proslier Th., Noat Y., Cren T.,
Sacks W. and Roditchev D. ; 11th International
Workshop on Vortex Matter preceding M2S HTSC VIII ; Wrocław, Poland ; July 3rd - 8th,
2006
«Two-Gap Interplay in MgB2: A Tunneling
Spectroscopy
Study»;
Roditchev
D.,
Giubileo F., Bobba F. et al. ; Conférence
Internationale sur la supraconductivité (M2SCHTSC) ; Rio de Janeiro, Brezil ; mai 2003
« Lazy Fisherman method of Vortex Analysis»;
Roditchev D. ; 7th International Conference
Spectroscopy in Novel Superconductors
SNS2004 ; Sitges, Spain ; 2004
•
« Etude locale de la densité d’états du diborure
de magnésium par microscopie/spectroscopie
tunnel», Lamy Ronan, thèse UPMC, 2004
«Etude des supraconducteurs par microscopiespectroscopie tunnel», Proslier Thomas, thèse
UPMC, 2006
Cooperations internationales
•
35
Cucolo A. M., Giubileo F., Bobba F.
(Université de Salerne, Salerne, Italie)
•
•
•
Sung-Ik Lee -NCRICS, Dept. of Physics,
Pohand University), Pohang, South Korea
Karpinski J., Laboratory for Solid State
Physics, ETHZ, CH-8093 Zurich, Suisse
Roditchev D., Ecole européenne sur la
supraconductivité (SCENET), Salamanca,
Espagne, 2004
Vulgarisation
Autres
•
« Microscopies
modernes
:
moyens
expérimentaux
pour
la
nanoscience»;
Roditchev D. ; Rapport sur la science et la
technologie de l’Académie des Sciences et de
l’Académie des Technologies, rst n°18, Avril
2004, Editions Tec & Doc, p245
•
•
•
Elaboration et fabrication d’un cryostat très
basse température pour un STM ultravide.
Contrat avec la société ICE Oxford, Royaume
Uni ; 2005-2007
•
•
Roditchev D., «50 ans de la théorie BCS»,
Paris, 2006
Prix
36
•
«Le premier supraconducteur double»;
Roditchev D., Klein J., Sacks W. ; La
Recherche ; N°369 ; 2003
«Autour de l’atome et des Nanomondes » ;
Roditchev D. ; Conférence dans le cadre ème
de
l’année de la Physique, Mairie du 9
arrondissement, 6 rue Druot, Paris ; 2005
« Les multiples frontières du nanomonde»;
Noguera C. et Roditchev D. ; Pour la Science,
pp.122-125, Décembre 2006 (Numéro spécial)
«Nanosciences et sciences de l’information et
de la communication»; Conférence par
Roditchev D. dans le cadre Sciences sur Seine ;
Lycée international Honoré de Balzac, Paris ;
2007
«Comprendre le monde de l'infiniment petit»;
Conférence expérimentale ; Roditchev D.,
Sacks W., INSP, « Le CNRS fête la science »,
2006
Roditchev D., Prix Louis Ancel, Société
Française de Physique, 2003
Axe II – Structure, dynamique et réactions aux interfaces
Equipe II.1 – Couches nanométriques : formation, interfaces et défauts (I. Vickridge)
Permanents : Abel François, PU1 (départ en retraite-janvier 2005) ; Amsel Georges, DR émérite ; Cantin Jean-Louis, MC ;
Cohen Camille, DR1 (départ en retraite-novembre 2005) ; D'Angelo Marie, MC ; Ganem Jean-Jacques, MC ; Grosman
Annie, MC ; L'Hoir Alain, PU1; Schmaus Didier, PU2 ; Trimaille Isabelle, IR2 ; Vickridge Ian, DR2 ; von Bardeleben
Jurgen, DR2
Non permanents : Colladant Thierry, doctorant ; Khazen Khashayar, doctorant ; Cubukcu Murat, doctorant ; Le Pevedic
Séverine, doctorante puis ATER ; Siejka Julius, sous contrat ; Deville-Cavellin Catherine, visiteur de longue durée
fonctionnant aux températures allant jusqu’à 500°C.
L’oxyde thermique du SiC est la silice, SiO2, comme cela
Introduction
Nous étudions la formation de couches minces et ultraminces sur un substrat après divers types de dépôt sur une
surface (épitaxie par jets moléculaires, ablation laser,
évaporation …) ou après réaction chimique entre cette
surface et un milieu externe (exposition aux gaz, aux
liquides). De nombreux processus et paramètres régissent
cette croissance et déterminent les propriétés physiques
des systèmes formés : la structure atomique du substrat,
éventuellement sous contraintes ou déformé du fait de la
proximité d'une surface libre ou d'une interface ; la
présence de défauts ponctuels ou étendus de surface,
d'interface ou de volume ; le transport d'espèces
atomiques ou moléculaires à travers la couche en
croissance ; la réactivité chimique d'une surface ou d'une
interface.
Dry thermal oxidation 1100°C 10mb
0.06
Measurement SiC-Si
Measurement SiC-C
Prediction (kl~P)
Carbon face
0.6
Prediction (kl~P )
x (μm)
0.04
0.02
Silicon face
0.00
0
10
20
30
40
50
time (hr)
est le cas pour le silicium, ce qui ouvre la possibilité de
fabriquer des structures MOSFET en utilisant des
procédés tirés directement de la technologie ‘silicium’.
Nous avons étudié les mécanismes d’oxydation
thermique du polytype 6H de SiC sur les deux faces
polaires (0001 et 000-1, appelées ‘face carbone’ et ‘face
silicium’ respectivement), qui s’oxydent à des vitesses
très différentes, et toujours beaucoup plus lentement que
le Si dans les mêmes conditions. Par des expériences de
traçage isotopique après des traitements croisés en 16O2 et
18
O2 et profilage en profondeur par résonances nucléaires
étroite de la composition isotopique, nous avons pu
montrer que l’oxygène traverse l’oxyde en croissance
sans interaction avec ce dernier, et que la réaction
chimique se produit dans une région étendue (de quelques
nm) au voisinage de l’interface SiO2/SiC. Nous avons
également démontré que, en contraste avec l’oxydation
thermique du silicium, la vitesse d’oxydation est
déterminée par la nature de l’interface SiO2/SiC, qui
évolue lors de l’oxydation, et non par des vitesses de
diffusion de réactifs (O2) ou de produits (CO,
éventuellement CO2) dans la silice.
Notre objectif, pour un système donné, est d'établir les
liens entre la nature de la couche (profils de composition
et de structure), ses propriétés physiques et les processus
principaux conduisant à sa formation, après avoir
identifié ces derniers, notamment par traçage isotopique.
Nous nous intéressons à de nombreux systèmes destinés à
la microélectronique tels que la formation de
diélectriques sur Si (HfO2 et ses dérivés nitrurés – section
1.2) pour l'isolant de grille des transistors à effet de
champs (MOSFET), l'oxydation thermique de SiC
(section 1.1), la croissance et les propriétés de
semiconducteurs magnétiques (GaMnAs, ZnO:Co,Mn,
CeO:Co – section 3), ou la croissance de nanocristaux de
SiC à l'interface SiO2/SiC (section 2.1). La formation
d'alliages Ni-Al et la croissance thermique d'Al2O3 sur
ces alliages est également étudiée (section 1.3). Dans
certains cas (SiC, diamant) nous étudions des défauts
crées de manière contrôlée par faisceau d'électrons ou
d'ions.
Les méthodes de canalisation et blocage d’ions,
développés initialement autour de SAFIR, continuent de
trouver des applications dans l’étude de processus
d’interaction ions-matière, tirant parti de la grande
densité électronique autour des rangées atomiques dans
des monocristaux (section 4).
En s’inspirant du célèbre modèle ‘linéaireparabolique’ de Deal et Grove de l’oxydation du silicium,
une équipe américaine a proposé une interprétation de la
cinétique d’oxydation 1. Dans ce modèle, l’épaisseur
d’oxyde formé x0 est donnée par
1) Mécanismes de formation de couches minces
et ultra-minces
x0 + Ax0 = B ( t + τ )
2
1.1) Mécanismes d'oxidation thermique du SiC
Refs [4], [19], [25], [30], [34], [47], [48], [57], [65], [66]
où A et B sont des constantes dépendantes des
coefficients de diffusion des réactifs et des produits dans
la silice, des coefficients d’échange entre le gaz et
l’oxyde, et des constantes de réaction au voisinage de
l’interface SiO2/SiC. La dépendance de ces constantes
avec la pression du gaz que nous avons mesurée
Le carbure de silicium est un semiconducteur à
grand gap (2.4 – 3.2 eV selon le polytype) ayant une
grande mobilité de porteurs, une grande résistance
chimique, et permettant la fabrication de dispositifs
Modified Deal Grove model for the thermal oxidation of
silicon carbide. Song Y, Dhar S, Feldman L C, Chung G, and
Williams J R 2004 Journal of Applied Physics 95 4953
Ian Vickridge, Jean-Jacques Ganem, Isabelle Trimaille,
Jean-Louis Cantin, Jurgen Von Bardeleben, Yasushi
Hoshino
1
37
expérimentalement n’est pas celle prédite par ce modèle
et invalide le modèle de diffusion-réaction généralement
proposé.
Layer CVD) qui permet un contrôle des couches à
l’échelle atomique. Elles nécessitent toutefois un recuit
de densification qui s’accompagne d’une perte globale de
radicaux OH excédentaires, de le formation de silice non
souhaitée à l’interface substrat (Si) / diélectrique et d’un
effet de cristallisation qui pourrait entraîner une
dégradation des propriétés électrique de la structure
MOS. Ainsi nous avons pu montrer très clairement, par
l’utilisation de recuits sous 18O2 en association avec de
nombreuses techniques d’analyses (NRA, ARXPS,
SIMS, AUGER, XRD, TEM, FTIR, AFM) qu’à partir de
la température de recuit de 800°C i) il se forme, dans les
couches d’alumine, une phase cristalline ii) que ces
couches sont stables vis-à-vis de l’oxygène, mais iii) qu'il
se forme à l’interface une couche de silice allant jusqu’à
1.5 nm d’épaisseur, réduisant ainsi l’intérêt de
l’utilisation de l’alumine. Par ailleurs, par RBS, nous
avons vu très clairement la présence d’une contamination
chlore dans les couches, probablement responsable du
piégeage de charges dans les films et de sa cristallisation.
Les résultats RBS nous ont permis d’optimiser les
paramètres de dépôt afin de réduire de deux ordres de
grandeur le chlore dans les couches.
L’étude du HfO2 est en cours. Nous avons pu
démontrer que la couche déposée, contrairement au cas
de l’alumine, était sous-stœchiométrique en oxygène et
qu’elle pouvait même, sous certaines conditions,
cristalliser à la température du dépôt (300 °C - 400 °C).
Nous avons notamment examiné divers recuits qui nous
permettraient d’enrichir la couche en oxygène et atteindre
la constante diélectrique optimale tout en limitant la
recroissance d’oxyde à l’interface Si/HFO2. A l’INSP,
nous avons réalisé les recuits sous atmosphère contrôlée
de gaz isotopiquement enrichis à l’oxygène 18 et à
l’azote 15 et nous avons mesuré les profils atomiques
correspondants par résonance nucléaire étroite au moyen
de l’accélérateur d’ions de type Van de Graaff de l’INSP.
Nous avons pu montrer que l’oxygène se fixe dans toute
la couche pour des températures supérieures ou égales à
400°C et que les échantillons recuits résistaient mieux
vis-à-vis de l’oxydation. Ce type de diélectrique nécessite
des contacts de grille métalliques, nous avons également
étudié la résistance à l’oxydation de structures composées
de TiN/HFO2/Si. Les résultats nous ont montré qu’à
600°C sous atmosphère d’oxygène que, d’une part, le
TiN et transformé en TiO2 et, d’autre part, que l’oxygène
diffuse à travers la couche de diélectrique et provoque
une oxydation du substrat de silicium. A 300°C,
l’oxydation reste limitée à la surface externe du contact
metallique, rendant possible l’utilisation de ce type de
structure avec des isolants de grille dont l’epaisseur ne
dépasse pas 2,5 nm.
Nous avons également suivi l’évolution de la
structure de l’interface et des défauts dans la couche
diélectrique par résonance paramagnétique électronique.
Concernant les défauts d’interface nos résultats ont
montré que quelque soit la variante de dépôt, aussi bien à
l’interface Si/Al2O3 qu'à l’interface Si/HfSiO2, une
couche de SiOx se forme qui détermine la nature des
défauts d’interface. En fait les défauts sont les mêmes que
dans les interfaces Si/SiO2, c.à.d. les centres Pb0 et Pb1.
Leurs paramètres – facteurs de Landé - et leur
concentration dépendent des conditions de dépôt.
Dans des couches Hf0.75Si0.25O2 de différentes épaisseurs
de 3 nm à 17.5 nm nous avons mis en évidence un défaut
de volume dans les couches les plus épaisses. Il s’agit du
centre EX qui a été observé auparavant dans des couches
de SiO2 amorphe sur Si. Nous avons montré la
L’interface SiC/SiO2 comporte une grande
densité de défauts électriquement actifs qui détériorent
les performances des transistors à base de SiC. En
collaboration
avec
l’éuipe
de
Jim
Choyke
(Univ.Pittsburgh) nous avons pu établir pour la première
fois un modèle microscopique d’un défaut dominant de
cette interface, en tirant profit de la surface développée au
sein de substrats monocristallins de SiC poreux oxydés. Il
s’agit d’une liaison pendante localisée sur un atome de
carbone et pointant vers l’oxyde. Nous avons étudié la
passivation de ce défaut sous l’effet de recuits sous H2,
forming gaz, et NO.
Perspectives : Nous étendrons ces études aux premières
étapes de croissance de SiO2 thermique sur SiC en
mettant a profit notre dispositif MEIS, avec la
préparation de surfaces bien définies (LEED) et
exposition au gaz (16O2, 18O2, jusqu’à 100 mbar, 1200°C)
in situ. Nous suivrons ensuite l’évolution de ce système
bien défini, éventuellement ex situ, sous oxidation aux
pressions et aux températures plus élévées. En relation
avec nos études de l’interaction du CO (13C18O) avec la
silice thermique (Si16O2) nous comptons également
étudier l‘effet de la pression partielle de CO dans le gaz
ambiant sur la cinétique de croissance de SiO2 sur SiC.
Enfin, compte tenu du fait qu’un des grands mystères
concernant l’oxydation thermique du SiC reste le rôle de
la polarité du cristal sur la cinétique, nous comptons
tester certaines hypothèses concernant l’injection
éventuelle de Si+ et le transport d’atomes de carbone au
voisinage de l’interface SiO2/SiC en exploitant des
substrats enrichis isotopiquement (Si13C – échantillons
déjà existants, ou 29SiC – échantillons à fabriquer)
1.2)
diélectrique
Diélectriques
à
grande
Jean-Louis Cantin, Jean-Jacques Ganem,
Trimaille, I. Vickridge, Jurgen von Bardeleben
Refs [20], [56]
constante
Isabelle
La microélectronique silicium se caractérise par
une miniaturisation constante des composants. La brique
élémentaire de ces composants est la structure capacitive
MOS (pour Si très dopé/SiO2/Si). Or, la réduction des
dimensions latérales de la structure impose aujourd'hui la
réalisation de films de SiO2 d'épaisseur, e, inférieure à 1.5
nm afin de maintenir l’induction électrique dans l’oxyde
dans un domaine acceptable pour une faible tension de
grille (D~εV/e). Dans cette gamme d’épaisseur, les
performances de SiO2 se dégradent à cause des courants
tunnels et de la diffusion dans l’oxyde des dopants du Si
ou d’impuretés. L'alternative, pour poursuivre cette
miniaturisation et avant de déboucher sur l'électronique
moléculaire, consiste à trouver un diélectrique possédant
une permittivité électrique plus élevée que SiO2 et par
ailleurs, des performances électriques et des qualités
d’interfaces au moins équivalentes.
Durant les quatres dernières années nous avons engagé
une action en collaboration avec IBM Thomas J. Watson
Research Center et le LETI-CEA (Grenoble), visant à
porter nos efforts de recherche sur l’étude de couches
minces d’Al2O3 et plus récemment sur HfO2 et HfxSi1-xO2
qui semblent être de bons candidats pour remplacer à
terme le SiO2. Ces couches sont déposées par une
nouvelle technique de dépôt en phase vapeur (Atomic
38
possibilité de passiver ce centre par les traitements sous
hydrogène et l’influence d’une nitruration par NH3.
Ce travail a déjà fait l’objet d’un post-doc et
d’une thèse au LETI soutenue en novembre 2003.
critique"), d’une couche alliée différente. Ce second
alliage, ordonné et relaxé, s'avère être le composé NiAl
(cc-B2) prévu par le diagramme de phase de volume,
avec la relation d'épitaxie NiAl(110)//Ni(111) et
NiAl[001]//Ni[-110] (avec 3 variants par rotations de
120° dans le plan de surface). La rugosité d'une telle
couche et la taille typique des grains qui la constituent ont
pu être précisées, ex situ, par microscopie à force
atomique. La diffraction par rayons X, également ex situ,
a conforté aussi bien la structure que la stoechiométrie
d'une telle couche. Ce composé -dit à ordre soustractifest remarquable car son paramètre de maille passe par
une valeur maximale (et le coefficient d'interdiffusion AlNi par une valeur minimale) pour la stoechiometrie NiAl,
ce qui est lié à la dissymétrie, en fonction de la
composition, des lacunes sur les deux sous-réseaux Ni et
Al. L'analyse in situ de l'évolution vers "l'équilibre" de
cette couche alliée nous a permis d'observer une cinétique
de formation complexe correspondant à une croissance
hétérogène dont nous avons proposé une interprétation.
Des informations supplémentaires sur la
formation de ces alliages Al-Ni ont été obtenues très
récemment, lors d'études par microscopie à effet tunnel et
par diffraction d'électrons lents à profil de taches (SPALEED), en collaboration avec Geoffroy Prévot (INSP).
Ces études, en cours, révèlent d'ores et déjà la très faible
rugosité de la surface des couches minces d'alliages
obtenues après recuit vers 750 K. Cette rugosité est
cependant maximale au voisinage de la transition de
croissance Ni3Al-NiAl. Par ailleurs on observe également
dans ce voisinage que le paramètre de maille de ces
alliages varie légèrement avec leur épaisseur. Enfin la
valeur précise de l'épaisseur critique, mesurée par RBScanalisation, dépend de l'état de surface (densité de
marches résiduelles) du monocristal de Ni(111) utilisé.
Dans le volet "Oxydation d'alliages Al-Ni après
dépôt d'Al/Ni(111)" nous avons réussi à obtenir, de façon
reproductible, une couche ultramince d'alumine épitaxiée
sur Ni(111). Pour cela nous nous sommes appuyés sur les
résultats établis lors du volet d'étude "Formation
d'alliage". En effet nous avons oxydé une couche mince
de Ni3Al épitaxiée sur Ni(111), obtenue dans les
conditions précisées ci-dessus. Il se forme, après
oxydation à 300 K suivi d’un recuit à 1000 K, une couche
ultramince d'oxyde, bien structurée et épitaxiée, la
surstructure vue en LEED étant de type (5√3x5√3)R30°,
dont le modèle atomique reste à préciser. Nous avons pu
mesurer les quantités absolues d’Al et d’O impliquées
dans cette couche, respectivement par rétrodiffusion
Rutherford et par la réaction nucléaire 16O(d,p)17O. Le
contenu en O cette couche correspond à environ deux
plans compacts d’O dans l'alumine α (corindon) ou γ.
Cette couche a une stoechiométrie voisine d'Al2O3 , avec
une légère sur-stoechiométrie en Al. En fait l'épaisseur et
la composition de cette couche d’oxyde semblent
quasiment invariables: la quantité d'O incorporé ne
dépend ni de la température d'oxydation (entre 300 et 800
K) ni des recuits ultérieurs. De plus la quantité d'Al
déposé (au-delà des 2/3 de celle donnée ci-dessus pour
l'O) ne joue pas non plus: lors du recuit à 1000 K, tout
l'Al non lié à l'O diffuse dans le volume du Ni, ce qui est
cohérent (voir ci-dessus) avec la dissolution du Ni3Al
dans Ni observée au-delà de 800 K.
Perspectives : Nous comptons explorer
plusieurs pistes concernant l'étude et l'utilisation des
couches d'alumine épitaxiées ultraminces formées sur
Ni(111). Leur structure atomique sera précisée par
diffraction de rayons X en incidence rasante (GIXD). Des
tentatives d'épaississement de ces couches, en préservant
leur structure, seront menées. Enfin leur utilisation
1.3) Formation et oxydation de couches minces
d'alliages Al-Ni après dépôt d'Al sur Ni(111)
Camille Cohen, Séverine Le Pévédic, Geoffroy Prévot
(équipe II.2), Didier Schmaus
Refs [42], [61], Thèse S. Le Pévédic
Ces études s'articulent en deux volets: d'une
part "Formation de couches minces d'alliages à la surface
d'un monocristal" et d'autre part "Oxydation de ces
couches alliées". Le système bimétallique étudié est AlNi, par dépôt d'Al sur monocristal de Ni. Ce choix est
notamment motivé par l'intérêt technologique pour ces
alliages, qui est multiple: notamment dans l'aéronautique
(barrières thermiques dans réacteurs), en catalyse, en
électronique (contacts métalliques épitaxiés sur
semiconducteurs III-V) et en magnétisme des couches
minces. Une partie de l'intérêt pour ces alliages vient de
ce que leur oxydation conduit à de l'alumine pure, qui les
protège de toute corrosion ultérieure, même à haute
température.
Il est notamment remarquable que l'oxydation
d'un monocristal d'alliage ordonné (Ni3Al ou NiAl)
conduise à une couche ultramince d'alumine épitaxiée
(impossible à obtenir sur un monocristal d'Al, dont la
température de fusion, trop basse, interdit un recuit
permettant une bonne structuration). La minceur de cette
couche permet l'étude d'une surface d'oxyde cristallin par
des techniques nécessitant l'évacuation de charges
(faisceaux d'électrons ou d'ions ou microscopie à effet
tunnel), difficiles à employer sur des oxydes massifs. Si
on envisage un second dépôt métallique sur la couche
d'alumine épitaxiée, celle-ci peut constituer un supportmodèle pour l'étude d'agrégats métalliques d'intérêt
notamment en catalyse. On peut également penser à un
usage éventuel de la couche d'alumine comme couche
isolante dans une jonction tunnel magnétique.
Dans le cadre de la thèse de Séverine Le
Pévédic, soutenue en février 2007, nos études ont utilisé,
in situ, dans une chambre goniométrique à ultra-vide
couplée à l'accélérateur Van de Graaff de l'INSP, la
spectroscopie d'électrons Auger, la diffraction d'électrons
lents, la rétrodiffusion élastique d'ions légers rapides
(hors et en canalisation) ainsi que le profilage par
réaction nucléaire résonante. La complémentarité de ces
techniques permet d'accéder aux compositions et
structures de surface, de subsurface, d'interface et de
volume.
Dans le volet "Formation d'alliages Al-Ni après
dépôt d'Al/Ni(111)" nous avons ainsi mis en évidence
l’existence d’une transition de croissance de part et
d'autre d’une certaine épaisseur critique (nanométrique)
d'Al déposé. En effet, pour un dépôt d’Al/Ni(111)
d’épaisseur inférieure à cette épaisseur critique un recuit
à 750 K conduit à la formation d’une couche de Ni3Al
(composé le plus riche en Ni prévu par le diagramme de
phase de volume). Cette couche est ordonnée
cristallographiquement et chimiquement (cfc-L12) et
épitaxiée, avec la relation d'épitaxie Ni3Al(111) //Ni(111)
et Ni3Al[01-1]//Ni[01-1]. Au-delà de 800 K, cette couche
alliée se dissout, l'Al diffusant dans le volume de Ni.
En revanche, si l'épaisseur du dépôt d’Al
excède cette épaisseur critique un recuit à 750 K conduit
à la formation, sur une couche épitaxiée de l'alliage
d'interface Ni3Al (comprenant la quantité d'Al du "dépôt
39
comme support d'agrégats est envisagée dans le cadre
d'études des propriétés catalytiques de nanoparticules
d'Au et de Pt (cf. équipe II.2).
de vérifier qualitativement que cette diffusion est
suffisamment rapide, nos collaborateurs à Budapest ont
effectué des recuits sous CO de couches de SiO2
thermique sur Si, trouvant par microscopie électronique
en transmission que le CO traverse rapidement la silice,
donnant lieu a la croissance de nanocristaux de 3C-SiC
(nc-SiC) épitaxialement imbriqués dans le silicium du
substrat. La croissance par un processus si simple de ces
nc-Sic, qui peuvent être imbriqués dans une matrice de
silice pur par post-oxidation du substrat Si, suscite un
intérêt pour une éventuelle application comme pièges de
charge dans des oxydes de grille des dispositifs de
mémoire statique, et offre la possibilité d’étudier des
effets de confinement quantique (cathodoluminescence,
photoluminescence …).
1.4) Structure de la surface du titanate de
strontium (STO)
Marie D’Angelo, Severine Lepevedic, Alain L’Hoir,
Julius Siejka, I. Vickridge
Nous avons débuté une nouvelle activité centrée sur
l’étude de substrat de SrTiO3 (STO).
STO est un oxyde de type pérovskite présentant de
nombreux intérêts qui ont motivé son étude. Parmi ces
propriétés, on peut citer une constante diélectrique élevée
qui fait de lui un bon candidat comme oxyde de grille des
transistors MOS ou pour des condensateurs planaires
MIM (Métal/Isolant/Métal). Il est aussi utilisé comme
substrat pour la croissance de supraconducteurs à haute
température critique ou de GaAs. Toutes ces applications
nécessitent des interfaces bien définies, il est donc
indispensable dans un premier temps de comprendre et de
maîtriser les surfaces propres de STO. La face (100) par
exemple présente de nombreuses reconstructions fonction
de la température de recuit du substrat et de la pression
partielle d’oxygène. Or, malgré de nombreux travaux
publiés sur le sujet, les résultats obtenus, très dispersés
voire contradictoires, n’ont pas encore permis d’atteindre
un consensus sur les conditions de préparation de ces
surfaces et sur leur structure générale (organisation de
lacunes d’oxygène ou ségrégation d’atomes de Sr en
surface). Des expériences préliminaires de canalisation
d’ions (C. Cohen, A. L’Hoir, S. Le Pévédic, J. Siejka,
résultats non publiés), entreprises sur des cristaux de STO
préparés sous vide secondaire et recouverts de carbone
pour assurer la conductivité électrique, ont démontré la
faisabilité d'une détermination de la terminaison
atomique à la surface des monocristaux de STO à
condition de bien prendre en compte les vibrations
thermiques des atomes.
L’étude quantitative des processus de croissance des ncSiC est très délicate à cause des faibles quantités de
carbone incorporé dans les nc-SiC (1015-1017 atomes cm2
) et la nécessité de la mesurer en présence de
contaminations superficielles du même ordre. Pour
s’affranchir de cette difficulté et étudier quantitativement
la cinétique de croissance des nc-SiC en fonction de
paramètres thermodynamiques, nous utilisons du CO
marqué isotopiquement (13C18O) et nous dévelopons
actuellement une méthode de dosage absolu de la quantité
de 13C grace à la réaction nucléaire 13C(d,p0)14C. Nos
premières mesures qualitatives ont montré que la quantité
de carbone incorporée dans les nc-SiC dépend faiblement
de l’épaisseur de silice (entre 30 et 100 nm) et
pratiquement linéairement avec la pression de CO (entre
50 et 400 mb). Des études de l’interaction entre
l’oxygène des molécules CO et la silice sont également
en cours grâce au profilage du 18O par des méthodes
nucléaires dévloppées au sein de l’équipe depuis
plusieurs années. Malgré des prévisions de calculs ab
initio suggérant le contraire 2 nos premières observations
ont mis en évidence un échange d’oxygène entre le CO et
la silice.
Perspectives : afin d’obtenir des informations
complémentaires sur la formation de ces nanocristaux
nous allons effectuer des expériences de photoémission
haute résolution sur la ligne TEMPO (Time resolved
Experiments on Materials with PhOtoemission) du
synchrotron Soleil. Un temps de faisceau correspondant
à 21 shifts (~ 1 semaine) nous a été alloué pour ce projet.
Les spectres de photoémission de niveaux de cœur et de
bande de valence vont nous permettre d’étudier in-situ et
en temps réel l’interaction de CO avec l’interface SiO2/Si
en fonction de différents paramètres tels que l’épaisseur
de l’oxyde, la température du substrat ou la pression
partielle de CO. De plus, une mesure détaillée des effets
de photodiffraction sur les niveaux du carbone (C1s) et
du silicium (Si2p) nous donnera la possibilité d’étudier la
relation d’épitaxie entre les nanocristaux de SiC et le
substrat de silicium. Nous comptons également étudier ce
système avec notre système MEIS, y compris avec du CO
et/ou des substrats isotopiquement marqués. La très
haute résolution en énergie du détecteur MEIS nous
donnera une plus grande sensibilité aux faibles quantités
de 13C, et nous permettra également d’étudier
quantitativement dans une seule expérience la quantité de
16
O et de 18O. Enfin nous comptons aussi étudier la
cathodoluminescence et photoluminescence des nc-SiC
isolés dans une matrice de silice, qui sont suffisamment
Nous commençons donc une étude en canalisation sur des
substrats STO(100) dopés Nb (conducteur électronique)
préparés et examinés sous conditions d’ultra-vide. Nous
nous focalisons dans un premier temps sur les surfaces
1x1 et 2x2 en essayant de corréler les résultats
expérimentaux avec des calculs Monte-Carlo (A. L’Hoir),
notamment du point de vue de la composition et des
vibrations de surface. Les premiers résultats sont assez
inattendus : la structure atomique de la surface de STO
étudiée par Cohen et al. (voir plus haut) semble être la
même que celle mesurée sous ultra-vide.
Perspectives : Notre projet à terme est de nous
attacher aux interfaces STO / semiconducteur (tel que Si,
GaAs) et STO / métal (Pt, Au). Ces études béneficieront
de notre dispositif MEIS actuellement en cours de
développement.
2) Couches nanostructurées
2.1 Croissance et propriétés de nano-cristaux
de SiC à l'interface SiO2/SiC
Marie D’Angelo, Catherine Deville-Cavellin,
Jean-Jacques Ganem, Isabelle Trimaille, Ian Vickridge.
Collaboration : MFA-KFKI Budapest
Lors de l’oxydation thermique du SiC, il est supposé que
le produit CO de la réaction 2SiC + 3O2 ' 2SiO2 + 2CO
diffuse du site de la réaction (interface SiO2/SiC) à
travers l’oxyde et se dissipe dans la phase gazeuse. Afin
Theoretical investigation of carbon defects and diffusion in αquartz. Köhler C, Hajnal Z, Deák P, Frauenheim T, and Suhai S
2001 Physical Review B 64 085333
2
40
loin les uns des autres et du substrat pour éliminer la
possibilité de transferts de charge.
L’étude des systèmes ferromagnétiques obtenus par
dopage d’un matériau semi-conducteur présente un
intérêt d'un point vue fondamental et pour les
applications en électronique de spin. Nous avons étudié
par spectroscopie de résonance ferromagnétique
différents matériaux soit en couche (ultra-)minces soit en
forme de nano particules agglomérées. Suivant le
matériau l’objectif de ces études était différent.
2.2) Nanostructuration d’ions de terres rares
en matrices diélectriques : co-dopage d’alumine avec
Yb-Er et Tm-Er en croissance par ablation laser
Ian Vickridge, collaboration avec R. Serna et al.,
Instituto de Optico, Madrid
Références [18], [31]
3.1) ZnO dopé avec métaux de transition 3d
La photoluminescence caractéristique à 1.54 μm des ions
Er3+ isolés en matrice isolante (silice, alumine, certains
fluorures etc) est d'un grand intérêt pour l’amplification
optique en télécommunications, du fait qu’il existe des
fibres optiques avec une très grande transparence ici. En
fabricant des couches par ablation laser alternée des
cibles de terre-rare – cibles d’isolant, et en jouant sur la
puissance des impulsions laser lors de l’ablation de la
cible terre-rare, il est possible de moduler de manière
indépendante dans une structure en multi-couches d// la
separation ion-ion dans le plan, et d┴ perpendiculaire au
plan de croissance. Ainsi, on peut étudier de manière
controlée l’influence des transferts d’énergie ion-ion sur
les propriétés de photoluminescence (intensité Ipl et durée
de vie τpl ), qui dépendent sensiblement de la densité et
de la distribution microscopique des ions 3.
Les deux dopants étudiés ont été le Co et le Mn. Dans les
deux cas différents auteurs ont rapporté un
ferromagnétisme à température ambiante. Notre objectif
-1600
Curie-Weiss temperature (K)
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
0.0
Nous avons étendu ce travail aux cas où 2 terres rares
sont co-dopées dans une matrice avec nanostructuration
individuelle de leurs distributions afin d’étudier les
échanges d’énergie entre ces différentes terres rares et
d’optimiser leurs propriétés de photoluminescence pour
optique avec gain. Dans le cas de Er-Yb, l’Yb agit
comme un ‘sensitizer’ pour l’excitation de l’Er3+,
absorbant fortement à 980 nm – longueur d’onde
privilégiée pour les lasers à diode semi-conducteur - et
transférant son énergie au Er3+. Nos résultats principaux
sont que des transferts d’énergie entre Yb et Er se
produisent même pour des séparations d┴ supérieures à 3
nm, indiquant un rôle important de transferts radiatifs, et
que l’organisation des plans Yb et Er joue fortement sur
Ipl, permettant des augmentations d’un facteur 2 par
rapport aux valeurs les plus élevées trouvées
précedemment.
θ//c ZnMnO
θLc ZnMnO
θ1 calculated
θ CdMnTe k=3.54
θ CdMnSe k=2.82
θ CdMnTe k=40
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Mn concentration x
Variation des températures de Curie-Weiss avec la
concentration de Mn dans ZnMnO et CdMnTe et
CdMnSe
était d’établir la nature des interactions magnétiques à
partir des spectres RPE/FMR. L’intérêt d’utiliser la
résonance magnétique réside dans le caractère sélectif de
cette spectroscopie, contrairement aux mesures SQUID
qui somment toutes les contributions. Les études ont été
faites en collaboration avec le laboratoire CNRS/Thales
(ZnCoO), le laboratoire GEMAC de Bellevue (ZnMnO)
et l’université de Gabès (nanoparticules de ZnO :TM).
Les études sur les couches minces de ZnMnO ont fait
objet d’une thèse (A. BenMahmoud) soutenue en juillet
2006.
Ces mêmes principes de contrôle des distances entre ions
ont permis également de démontrer un matériau co-dopé
Er et Tm, nanostructuré, qui photoluminesce dans une
bande allant de 1.5μm à 1.63μm, d’intérêt évident pour
les amplificateurs optiques à large bande.
La prédiction théorique d’un état ferromagnétique
pour ZnCoO avec [Co]>0.05 et de conductivité de type n
a initié de nombreuses études qui ont abouti à des
conclusions souvent contradictoires. L’unité mixte
CNRS/Thales avait mis au point une procédure de
croissance de films minces fortement [Co]=0.25 dopés
qui permettait d’obtenir d’une manière reproductible des
films ferromagnétiques à 300K avec des aimantations µB
/Co importante. Nos mesures précises de la composition
de ces couches (analyse par faisceau d’ions) ont montré
que le processus de formation des couches de Zn dopées
avec l’oxyde de cobalt, optimisé pour la formation des
couches ferromagnétiques, implique les conditions de
formation des couches sous stoechiométriques en
oxygène (même en absence de cobalt).
Nos résultats FMR sur ces films ont clairement démontré
que les films ferromagnétiques contenaient des particules
superparamagnétiques qui étaient à l’origine du
ferromagnétisme observé. Nos interprétations ont été plus
récemment confirmées par l’observation directe par
microscopie électronique des particules de Co fcc dans
ces films. Nous avons également effectué des mesures
d’absorption optique qui ont montré que les films,
indépendamment de leur caractère ferromagnétique ou
paramagnétique, contenaient la même concentration de
Dans toutes ces études la mesure précise et absolue avec
SAFIR de la densité des ions de terres rares a été
déterminante pour obtenir des conclusions quantitatives.
Nous avons en projet d’étudier, par MEIS, l’influence de
l’énergie et de la durée de l’impulsion laser sur la
distribution en profondeur des terres rares qui sont
incorporés dans la matrice d’isolant.
3) Systèmes magnétiques
Jurgen Von Bardeleben, Jean-Louis Cantin, Julius
Siejka, Khazen Kashayar, Murat Cubukcu, Ian Vickridge.
Références : [8], [14], [44], [52], [67-76]
3
The role of Er3+-Er3+ separation on the luminescence of Er
doped Al2O3 films prepared by pulsed laser deposition. R. Serna,
M. Jiménez de Castro, J. A. Chaos, C. N. Afonso, and I.
Vickridge. Appl. Phys. Lett. 75 (26) 4073-4075 (1999).
41
Co incorporée dans la matrice de ZnO. Cette fraction de
Co ne présente aucune interaction ferromagnétique. Par
contre c’est la nature de la deuxième phase extrinsèque
du Co qui peut être modifiée par des conditions de
croissance et qui est à l’origine du magnétisme. Dans des
films de type n faiblement dopés ([Co]<0.05) nous avons
observé des interactions faiblement ferromagnétiques à
basse température.
interdite de ZnO permet également d’étudier les
interactions de double échange dans des matériaux
compensé électriquement. L’accepteur Li semble être un
bon
candidat
pour
compenser
des
couches
« naturellement » conductrices de type n de 1018cm-3. Des
premières études sur des matériaux ZnFeO:Li obtenus de
l’université Ruttgers, semblent prometteuses.
Dans le cas de ZnMnO pour lequel un état
ferromagnétique était prévu seulement dans le cas d’un
dopage p, les résultats présentés dans la littérature étaient
également confus. Nous avons mené une étude
systématique des films déposés par MOCVD sur
(0001)Al2O3 en fonction de la concentration de Mn
0.01<[Mn]<0.30. La qualité structurale et la composition
des films ont été vérifiées par différentes techniques
complémentaires : XRD, EDX, absorption optique,
canalisation d’ions, SIMS. L’observation d’une loi de
Vegard jusqu’à des concentrations de x=0.30 montre la
grande solubilité de Mn dans ZnO dans nos conditions de
croissance. Aucun de ces films montre un ordre
ferromagnétique de longue distance. Par une étude par
RPE des spectres de Mn2+, qui sont modifiés par des
interactions d’échange et dipolaires magnétiques, nous
avons pu démontrer le caractère antiferromagnétique des
interactions des ions Mn-Mn en sites proche voisin et
nous avons pu déterminer la valeur de l’intégrale
d’échange à partir des températures de Curie-Weiss
obtenues pour différentes compositions x. La valeur
obtenue de J/kB =-22K est en très bon accord avec des
valeurs théoriques et celles déduites des mesures
d’aimantation à très fort champ magnétique. La variation
des température de Curie Weiss avec la concentration de
dopage change au-dessus de la concentration [Mn]=0.16,
seuil de percolation. Une comparaison avec d’autres
semi-conducteurs 2-6 dopés Mn montre le caractère
universel de ce comportement. Nous avons pu interpréter
quantitativement l’interaction entre des porteurs de type n
et les ions Mn2+ par une analyse des déplacements des
champs de résonance mesurés par RPE. Nous avons
également étudié la stabilité thermique de ces couches
pour des recuits entre 300°C et 1000°C. Ceci est
important car dans la plupart des cas présentés dans des
publications de tels recuits étaient utilisés afin d’induire
un comportement ferromagnétique. Nous avons observé
une très grande instabilité des films ZnMnO par rapport
aux couches ZnO non dopées ; ces recuits donnent
souvent lieu à la formation de précipités de phases
secondaires. Il a été montré par Gamelin et al que les
propriétés des nanoparticules de ZnO dopées avec des
éléments 3d peuvent être différentes de celles des
couches minces. Ceci peut être attribué aux propriétés de
surface des particules qui peuvent être passivées de
différentes manières. Nous avons mené en collaboration
avec L.El Mir de l’université de Gabès des études sur des
nanocristaux de ZnO dopé Co,Mn,Ni. Ils ont été préparés
en forme d’aérogels à partir des solutions methanol. Dans
ce cas nos résultats montrent encore une fois une forte
influence des phases secondaires sur des propriétés
magnétiques, phases qui échappent souvent à la détection
par diffraction X. Cette approche, qui permet une
synthèse d’une grande quantité de ZnMnO à très faible
coût nous semble néanmoins prometteuse ; elle permettra
l’élaboration de couches minces transparentes,
conductrices
et
magnétiques.
Néanmoins
des
améliorations significatives au niveau de la purification
des produits obtenus semblent nécessaires.
3.2) GaMnxAs1-x avec 0.05 < x < 0.07
Contrairement au cas de ZnO le ferromagnétisme des
couches de GaMnAs dopés entre 5 et 7 at% est bien
établi et a été modélisé dans différentes approches
théoriques. Actuellement la solubilité de Mn semble être
limitée à 7% pour une croissance par EJM autour de
200°C. Ceci ne permet pas de dépasser une température
de Curie de 170 K. L’importance des recuits thermiques
pour améliorer les propriétés magnétiques a été montrée
par différents auteurs. Outre les conditions de dépôt des
telles couches la nature du substrat joue également un
rôle important. La croissance en homoépitaxie GaMnAs
sur GaAs ou ses alliages (GaInAs) permet de varier
différents paramètres et en particulier les contraintes qui
déterminent les anisotropies magnétocristallines.
L’intérêt de la spectroscopie résonance ferromagnétique
réside dans sa grande sensibilité (monocouche) et sa
haute résolution en énergie. Il faut souligner que les
multicouches de faible épaisseur (e≈nm) ne peuvent plus
être étudiées par des mesures de SQUID. La FMR permet
également d’étudier le comportement dynamique des
spins via le coefficient d’amortissement (damping). Les
couches ou multicouches de GaMnAs ont été pour la
plupart élaborées au laboratoire LPN/Marcoussis par
A.Lemaître. L’étude des propriétés magnétiques des
couches de GaMnAs fait l’objet d’une thèse (K. Khazen)
débutée en 2005 et celle des multicouches de GaMnAs
d’une deuxième thèse (M. Cubukcu) depuis 2007.
Nous nous sommes intéressé à deux systèmes différents :
GaMnAs sur GaAs et GaMnAs sur GaInAs. Ils se
distinguent par la nature des contraintes liées au
désaccord de maille des deux composés. Dans le premier
cas la contrainte est en compression et dans le deuxième
cas en extension. En raison de la prédominance des
champs d’anisotropies magnéto cristallines par rapport
aux champs de démagnétisation ceci induit un
changement d’axe facile d’aimantation dans le plan (001)
et normal au plan (001) respectivement. Nous
Fully dep. sample Angular Variation of H at 4K
(φH=45°out-of-plane)
9000
EXPERIMENT 4K
SIMULATION 4K g=1.91
EXPERIMENT 80K
EXPERIMENT 110K
RESONANCE POSITION (G)
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1500
0
20
40
θH
60
80 90 60
45
80
100 120
Variation angulaire des spectres FMR en fonction de la
température pour GaMnAs/GaAs
L’existence pour la plupart des métaux de transition
(Co,Ni,Fe,Mn) des niveaux profonds dans la bande
42
des trous pour un dopage Mn constant. Nos résultats
montrent par ailleurs une concentration limite de 1019cm3
en dessous de laquelle la couche perd son caractère
ferromagnétique et devient un semi-conducteur dilué
(DMS) usuel avec des interactions antiferromagnétiqsues.
avons déterminé les coefficients d’anisotropie en fonction
de la température pour les deux systèmes. Une analyse
fine de la variation angulaire des spectres FMR permet de
constater une contribution des trous au facteur de Landé g
qui est différent (g<2.00) de celui de Mn2+ isolé. Il est
directement lié à la concentration des trous et devient
important pour des valeurs de [h]>1020cm-3.
Au-delà de l’étude des couches « simples » l’étude de la
magnétoresistance et du transfert de spin dans les
hétérostructures tunnel à base de GaMnAs est
d’importance. Des résultats récents obtenus sur des tricouches GaMnAs/GaInAs/GaMnAs ont montré des
magnétoresistances TMR et TAMR importantes.
L’épaisseur des couches ferromagnétiques a été variée
entre 5 nm et 100 nm et l’épaisseur des barrières entre 2
nm et 5 nm. La FMR permet de déterminer les propriétés
de deux couches individuellement et de suivre les effets
de recuits différents sur les couches inférieures et
supérieures. Il faut signaler que les effets TMR
disparaissent pour des épaisseurs de barrière inférieures à
6nm mais que la FMR n’indique aucun couplage (IEC)
entre les deux couches.
Une analyse des largeurs de raies FMR en fonction de la
fréquence de mesure (9Ghz/35GHz) nous a permis la
détermination du facteur d’amortissement (damping
factor) a≈0.02 dans des couches de GaMnAs/GaInAs.
Cette valeur est en bon accord avec des prévisions
théoriques. Il semble que cette valeur soit anisotrope.
Il faut noter que les mesures FMR ont permis de mettre
en évidence des inhomogénéités des certains couches qui
se manifestent par l’apparition de plusieurs spectres FMR
distincts. Pour mettre en évidence la nature des
inhomogénéités magnétiques nous avons étudié l’effet
des gravures successives sur certaines couches. La
résonance FMR peut être observée jusqu’à une épaisseur
(limite ?) de 5 nm.
Nous avons étendu nos recherches sur des semiconducteurs ferromagnétiques III-V vers GaMnN et nous
avons déposé en tant de partenaire un projet européen sur
l’élaboration et l’étude des couches minces chalcopyrite
II-IV-V2 : Mn.
Les propriétés magnétiques des couches peuvent être
fortement optimisées par des recuits thermiques. Nous
avons analysé les effets de recuit par des changements
des coefficients d’anisotropie et de l’aimantation à
saturation qui est à l’origine de l’augmentation de la
température de Curie. Nous avons également effectué des
mesures de canalisation de protons pour mettre en
évidence la présence des atomes interstitiels sur site
tétraédrique. Nos résultats n’ont pas confirmé l’hypothèse
généralement acceptée d’une minimisation des atomes
Mn interstitiels par des recuits thermiques. Très
récemment nous avons pu détecter directement
l’interstitiel de Mn par spectroscopie RPE à haute
fréquence.
Les semi-conducteurs dans lesquels le ferromagnétisme
est lié à la présence des électrons 4f font objet des études
récentes dans la thématique d’injection de spins dans un
matériau semi-conducteur. En collaboration avec
l’université de Wellington (T.Bittar, H.Trodahl) nous
avons effectué une première étude FMR sur des couches
minces nanocristallines de GdN.
Avec les mêmes partenaires nous avons débuté une étude
par FMR d’une autre famille de composés
ferromagnétique soulevant un intérêt dans le domaine de
l’électronique de spin. Il s’agit des composés Heusler
(Co2MnSi) et semi-Heusler (NiMnSb), qui possèdent des
températures de Curie élevées et peuvent être épitaxiés
sur des substrats de GaAs.
En raison de la nature double du dopant Mn, ion
magnétique Mn2+ avec spin électronique S=5/2 et
accepteur électriquement actif , la dépendance des
L’origine souvent extrinsèque du ferromagnétisme dans
les alliages semi-conducteurs magnétiques nous a conduit
à étudier les propriétés de nano agrégats magnétiques. En
collaboration avec le Laboratoire de Chimie Inorganique
et Matériaux Moléculaires (Valérie Marvaud et al.), nous
avons étendu ces études au cas extrême des molécules
magnétiques, c’est à dire des molécules à haut spin
présentant une anisotropie magnétique forte, capable de
s’ordonner magnétiquement en dessous d’une certaine
température. Ces molécules ont des applications
potentielles dans le stockage de l’information. Dans ce
cadre, nous étudions des molécules aimant possédant une
propriété originale : le photo-magnétisme.
Sample.Ref temperature dependence of anisotropy fields
2000
Anisotrpy fields (G)
1000
0
-1000
-2000
-3000
2*K2N/M
2*K2P/M
-4000
2*K4N/M
2*K4P/M
Des résultats très encourageants ont été obtenus avec le
composé MoIVCuII6 qui est formé, avant photo excitation,
de 6 ions cuivre magnétiquement indépendants. Après
irradiation, la molécule passe dans un état métastable de
spin 3. Ce résultat peut être expliqué par un transfert
d’électron et la formation d’une molécule MoVCuICuII5,
avec des interactions ferromagnétiques entre les ions
porteurs de spin. Cette transformation métastable a une
longue durée de vie, persiste à T=300 K et est réversible.
Nous avons entamé l’étude par FMR de cristaux
moléculaires de ce composé
-5000
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
TEMPERATURE (K)
Variation des quatre champs magnétiques d’ansisotropie
avec la température pour GaMnAs/GaAs
propriétés magnétiques de la concentrations des trous ne
peut pas être étudiée. En collaboration avec L. Thevenard
du laboratoire LPN nous avons mené une étude
approfondie sur des couches de GaMnAs hydrogénées
par traitement plasma. Ce traitement permet de supprimer
l’activité électrique de Mn sans modifier son caractère
magnétique. Nous avons ainsi pu étudier la variation des
paramètres d’anisotropie en fonction de la concentration
Sur ce sujet, nous sommes partenaires d’une demande
d’ANR (SWITCH on SURF : Switchable Single
Molecule Magnets on Surface) dans laquelle nous
43
(forte barrière de fission) sont cependant attendus au
voisinage de structures à couches fermées, suivant le type
de modèle théorique, dans la fourchette 114 ≤ Z <≤124.
Les SHEs sont obtenus par des réactions de fusion de
noyaux lourds, conduisant nécessairement à de fortes
énergies d’excitation, affaiblissant les effets de couche et
rendant instables les noyaux. On s’attend donc à mesurer
des temps de vie très courts (t < 10-21 s) mais aussi une
certaine proportion de temps de fission longs (> 10-18 s)
signature d’effets de couche sur la stabilité du noyau : ces
effets peuvent être restaurés après refroidissement du
noyau par émission de particules légères (neutrons etc…).
proposons l’étude par RPE/FMR de molécules aimants
photoactives déposées sur des surfaces solides et de
composés nouveaux, hétéro nucléaires, éventuellement
polymérisés.
Dans le cadre d’une collaboration regroupant
plusieurs laboratoires, nous avons effectué plusieurs
expériences au GANIL pour former des SHEs et étudier
leur stabilité grâce au phénomène de blocage des ions
dans les monocristaux. L’expérience consiste à
bombarder un monocristal très mince (expériences en
transmission dans Ni et Ge) avec des ions lourds (U, Pb)
de grande vitesse (typiquement 6 MeV/nucléon). Le
noyau composé recule suivant la direction incidente et la
fission se produit à une distance d du site cristallin
proportionnelle au temps de vie tfiss du noyau. Un
détecteur énergie-position est situé au voisinage de la
direction d’un axe majeur du cristal ([101] ou [100]). Les
fragments initialement émis dans ces directions sont
déviées par le potentiel répulsif des rangées (effet de
« blocage »), d’autant plus fortement que tfiss est faible
(i.e. que la fission se produit dans la région fortement
répulsive du potentiel cristallin). La mesure du rendement
d’émission en fonction de l’angle par rapport à la
direction de la rangée est donc une mesure directe de tfiss.
L’expérience est réalisée à l’intérieur du détecteur 4π
INDRA. Des simulations de Monte-Carlo reproduisant
les trajectoires des ions et des fragments permettent de
rendre ces expériences quantitatives.
Nous avons mis en évidence des composantes
de temps longs pour des noyaux composés très excités
pour Z =120 (U+Ni) et Z = 124 (U+Ge) : typiquement
environ 20 à 30% de fissions se produisent au bout d’un
temps supérieur à 10-18s. Ces valeurs de Z correspondent
à des nombres magiques prédits par de récents modèles
théoriques. Le dépouillement préliminaire d’une
expérience réalisée dans des conditions similaires avec le
couple Pb+Ge (Z = 114) ne semble pas mettre en
évidence de temps longs alors que le noyau Z = 114 était
de longue date considéré comme l’un des SHEs les plus
stables. Ces résultats apportent donc une information très
importante sur la position et l’extension de l’îlot de
stabilité des SHEs.
Structure moléculaire de MoIVCuII6 et variation du
produit χT en fonction de la température avant et après
une photoexcitation
(CeCoO) :
3.3) Couches minces de CeO2-x dopé Co
Notre objectif ici est d’étudier les corrélations entre la
composition (concentration d’oxygène et rapport :
Co/[Co+Ce]) et les propriétés physiques et structurales
d’une série d’échantillons de CeCoO préparés sous
différents conditions (notamment pression partielle
d’oxygène) par ablation laser.
Les résultats sur cette série d’échantillons montrent un
effet inattendu : (a) les couches de l’oxyde de cérium pur
(cérine) sont sous stœchiométriques en oxygène
(CeO1.77±0.05) par rapport à la composition attendue CeO2
; (b) le dopage avec l’oxyde de cobalt diminue le contenu
en oxygène ; (c) il existe donc une corrélation entre le
contenu en cobalt et la sous stœchiométrie en oxygène.
Si les conclusions (b) et (c) sont largement acceptées
dans la littérature ; la conclusion (a) demande des études
plus approfondies. En effet les propriétés physiques des
couches minces en cérine pure (densité, propriétés
optiques, etc.) sont plutôt en accord avec l’idée que les
couches sont de composition proche de CeO2. Notons que
les mesures de l’oxygène ont été réalisées par trois
méthodes différentes : Simulation des spectres RBS
(SAFIR, ARAMIS-IN2P3 Orsay) ; 2- Mesures directes
de l’oxygène et de cations (SAFIR, ARAMIS-IN2P3
Orsay) ; 3- Résonance de la réaction nucléaire
16
O(3He,α)15O ( AGLAE- Accélérateur du Louvre).
4.2) Interaction d’ions lourds rapides avec
la matière cristalline
Afin d’éclaircir cette situation, des études plus étendues
sont prévues en explorant une plus large gamme de
paramètres de preparation de couches.
Nous avons effectué des expériences au
GANIL (Caen) et à GSI (Darmstadt) portant sur divers
aspects de l’interaction des ions avec la matière : perte
d’énergie, échange de charge entre l’ion et la cible.
4) Interactions particule-matière : applications de la
canalisation d'ions lourds
Nos mesures reposent sur l’utilisation des
phénomènes de canalisation. Quand la direction d’un
faisceau d’ion est proche d’un axe ou d’un plan majeur
d’un monocristal, le potentiel répulsif du cristal rend le
flux de particules très inhomogène. En choisissant l’état
de charge initial Qin loin de l’état de charge d’équilibre
(pour l’énergie Ein du faisceau), et en choisissant
judicieusement la direction du faisceau, on peut ainsi
étudier de manière sélective les processus d’échange de
charge (ionisation de l’ion par les noyaux (NII),
Camille Cohen, Alain L’Hoir, Didier Schmaus, Ian
Vickridge
Références [5], [6], [37-39], [43]
4.1) Formation de noyaux
(SHEs). Étude à l’aide du blocage.
super-lourds
La répulsion coulombienne rend très instable les
SHEs vis-à-vis de la fission. Des noyaux stables à Z élevé
44
ionisation par les électrons (EII), excitation, capture non
radiative (NII), capture électronique radiative (REC)) et
la perte d’énergie des ions. Les résultats expérimentaux
sont en partie analysés à l’aide de simulations de MonteCarlo reproduisant l’histoire des ions dans le cristal.
Toutes ces expériences sont effectuées en transmission à
travers des monocristaux minces ou très minces de
silicium. Les observables mesurées sont la perte
d’énergie, l’état de charge en sortie de cible Qout, les
photons émis et la multiplicité d’électrons secondaires
émis par les deux faces du cristal (face d’entrée Nin, face
de sortie Nout). Deux types de faisceaux ont été utilisés,
pour lequel Qin est très éloigné de l’état de charge
d’équilibre :
- faisceaux Pb56+ de 29 MeV/A pour lequel Qin est très
inférieur à la valeur d’équilibre (Qeq ≈ 70). Le phénomène
dominant est l’ionisation de l’ion.
- faisceaux hydrogénoïdes U91+ et Pb81+ de relativement
basses vitesses (respectivement 20 MeV/A et 13 MeV/A)
refroidis dans l’anneau de stockage de GSI. Le
phénomène dominant est la capture électronique.
en fonction de paramètre d’impact b par rapport aux
noyaux des atomes. Ce processus domine pour b < 0.05
nm. La probabilité de capture PMEC(b) mesurée a été
comparée à des calculs CDW-EIS (continuum distorted
waves – eikonal initial state). Cette comparaison a montré
le rôle dominant des captures dans des états très excités
de l’ion (n > 5).
Effets de superdensité.
Avec les ions Pb56+ de 29 MeV/A et un cristal
très mince de silicium (1.1 micromètre), nous avons
étudié les échanges de charges en fonction de l’angle
d’incidence par rapport à l’axe [101]. Pour des angles
légèrement supérieurs à l’angle critique de canalisation,
le comportement des ions est loin d’être similaire à celui
des ions dans un milieu désordonné : les ions passent une
partie importante de leur temps très près des rangées,
subissant donc une succession de collisions à petits
paramètre d’impact très rapprochées dans le temps
(intervalle de temps faible à l’échelle de la durée de vie
des états excités). Au cours de ces trajectoires rasantes,
les probabilités de capture et d’ionisation sont fortement
augmentées (forte densité d’électron et de noyaux), mais
le phénomène qui nous intéresse ici est que les électrons
capturés dans des états excités n’ont souvent pas le temps
de venir combler une lacune des couches internes.
Comme les sections efficaces d’ionisation des états
excités sont supérieures à celle correspondant aux
couches profondes, il en résulte une plus forte ionisation
que dans un milieu désordonné (cette analyse est
confirmée par des simulations de Monte-Carlo). La
canalisation utilisée dans ces conditions critiques permet
donc d’envisager d’éplucher des ions dans des états de
charges plus élevés (de plusieurs unités) que ne le
permettrait un éplucheur standard.
Des effets similaires sont observés quand on
utilise des ions hydrogénoïdes tels que U91+ de 20 MeV/A
(cristal de silicium d’épaisseur 11.7 micromètre). Cette
fois la capture domine et quand on sélectionne des ions
ayant des trajectoires très rasantes par rapport aux
rangées (via la multiplicité d’électrons), on observe des
états de charges Qout plus élevés que dans un milieu
désordonné. De plus, les raies Lyman pour les trajectoires
rasantes sont larges (contrairement au cas du milieu
désordonné), confirmant le comportement très spécifique
des ions dans un milieu superdense : on n'atteint jamais
un état de charge d’équilibre, avec une forte présence de
lacunes en couches internes.
Multiplicité d’électrons.
Grâce à la mesure simultanée des photons émis,
de l’état de charge et de la perte d’énergie des ions, nous
avons mis en évidence une très forte corrélation entre la
trajectoire des ions dans un cristal et les multiplicités
d’électrons (Nin, Nout) : forte diminution pour les ions
hypercanalisés et augmentation (par rapport au cas d’un
milieu désordonné) pour les ions pénétrant dans le cristal
près des rangées cristallines. Réciproquement, la mesure
de la multiplicité (principalement Nin) permet de bien
cerner les conditions d’entrée et de sortie des ions.
Effet de sillage
Les ions hydrogénoïdes utilisés possèdent un
coefficient d’adiabaticité sensiblement inférieur à l’unité,
rendant en principe inopérant les traitements en
perturbation. Ces ions perturbent fortement le gaz de
valence (effet de sillage). L’effet de sillage a pour
conséquences un déplacement δE des niveaux du
continuum (dans le référentiel de l’ion) et une
augmentation de la densité électronique ρe au voisinage
de l’ion. En canalisation, on peut sélectionner les ions
voyageant tout au long du cristal à grande distance des
noyaux tout en ayant capturé un électron. Pour ces ions,
la capture est purement radiative (REC). L’énergie du
photon REC émis est directement sensible à δE et la
probabilité PREC de capture est proportionnelle à la
densité ρe. La valeur mesurée δE = 100 eV est en bon
accord avec les prévisions basées sur un calcul en
perturbation au premier ordre. Par contre, l’augmentation
mesurée de PREC, de l’ordre 30 à 50% est très inférieure à
l’augmentation Δρe/ρe que prévoit les calculs en
perturbation (de l’ordre d’un facteur 10) : le traitement en
perturbation décrit correctement les effets de sillage
moyenné sur une grande échelle (cas de δE) mais pas les
effets à faible échelle de distance (au voisinage de l’ion).
Perte d’énergie.
Le spectre de perte d’énergie des ions lourds
canalisés est large et non gaussien, contrairement à ce qui
se passe dans un milieu désordonné. Pour ce dernier, les
fluctuations de perte d’énergie sont généralement
dominées par les fluctuations de charges. Pour les ions
canalisés, c’est la très grande diversité des trajectoires et
le fait que la perte d’énergie dépende du paramètre
d’impact par rapport aux rangées (T = T(b)) qui alimente
les fluctuations de perte. A l’aide de simulations de
Monte-Carlo nous avons montré (cas des ions Pb56+) qu’il
est possible de déterminer T(b) par ajustement des
expériences. En particulier, l’approximation de la densité
locale (LDA) ne permet pas de reproduire les résultats
expérimentaux.
Capture non radiative en fonction du paramètre
d’impact.
Avec des ions hydrogénoïdes de moyenne
vitesse (U91+, 20 MeV/A) nous avons effectué une étude
systématique de la capture basée sur l’observation des
états de charge, de la perte d’énergie, de l’émission de
photons, de la multiplicité d’électrons, pour diverses
orientations du faisceau d’uranium (géométrie axiale). A
l’aide de simulations de Monte-Carlo, nous avons pu
isoler la contribution des captures non radiatives (MEC)
4.3) Interaction ions-composants
électroniques, simulations de Monte-Carlo.
En collaboration avec le CEA, dans le cadre de
la thèse de T. Colladant, nous avons réalisé un travail
45
expérimental (GANIL) et théorique (simulations de
Monte-Carlo dans le silicium, simulations électriques) sur
la sensibilité de transistors MOS (technologie 0.25
micromètre) aux ions lourds rapides (Single Event Effect,
SEE). Il s’agissait d’étudier cette sensibilité en fonction
du numéro atomique et de la vitesse de l’ion : pour une
même énergie déposée, la trace de l’ion est plus étendue à
grande vitesse et cette extension peut être comparable ou
supérieure aux dimensions du composant. Nous avons
montré que pour la technologie considérée, la charge
collectée sur le drain dépend en fait faiblement de la
dimension de la trace et que le facteur dominant est la
recombinaison, fortement dépendante de la densité
d’énergie déposée dans la trace.
4.4) Étude de la pulvérisation
monocristal par des ions lourds rapides.
Amy, Y. J. Chabal, M. D. D’Angelo, H. Enriquez, M.
Silly, Nature Mat. 835, p253 (2003)) et dont l’origine
reste controversée (H. Chang, J. Wu, B-L Gu, F. Liu, W.
Duan, PRL 95, 196803 (2005)).
d’un
Dispositif « Surfer », Electroaimant et extension
en quartz de la chambre ultravide
Ce projet fait l’objet d’une demande ANR
blanc (« Canalion2007 ») regroupant quatre laboratoires.
Il s’agit d’étudier sous ultra-vide l’émission ionique à la
surface d’un monocristal en fonction de la trajectoire des
ions entrant dans le cristal. Pour les ions considérés, le
dépôt d’énergie est essentiellement cédé aux électrons
cible, de sorte que l’endommagement dépend fortement
de la structure électronique du solide. Pour des cristaux
semi-conducteurs très radio-résistants, le très fort dépôt
d’énergie des ions mal canalisés (voyageant dès l’entrée à
très faible distance des rangées) doit permettre de
dépasser les seuils d’endommagement (en particulier
possibilité d’explosion coulombienne des rangées).
Une expérience préliminaire en vide secondaire
a été effectuée à GANIL (2006) à l’aide d’un
spectromètre de masse à temps de vol. Les résultats
montrent que l’émission ionique est certes dominée par
les impuretés de surface (couche désordonnée), mais
qu’elle dépend fortement des conditions de canalisation,
donc du dépôt d’énergie sous la couche désordonnée.
Cette expérience nous a permis d’affiner les objectifs et
le dispositif expérimental décrit dans la demande ANR.
5.2) MEIS
Ian Vickridge et toute l'équipe
Nous montons un nouveau dispositif de caractérisation
sur l’accélérateur Van de Graaff d’ions positifs de
l’INSP. Conçu autour d’un détecteur électrostatique
d’ions possédant une résolution en énergie 30 fois
meilleure (environ 300 eV pour des particules de 100
keV) que les détecteurs habituellement utilisés en RBS et
NRA (10-15 keV), ce dispositif devrait nous permettre
l’étude de la composition (diffusion élastique d’ions) et
de la structure (canalisation et blocage d’ions) de couches
d’épaisseur nanométrique, avec une résolution en
profondeur de l’ordre de quelques dizièmes de nm. La
chambre principale (en ultra-vide : 2x10-10 mbar atteint
actuellement) est installée, avec le détecteur
électrostatique et divers détecteurs classiques, ainsi qu’un
carrefour et sas d’entrée rapide. Le goniomètre à
température variable (~100K – 1000K) est en cours de
fabrication, et un appel d’offres en cours pour une
chambre de préparation (équipé de LEED/AES, canon à
ions,
évaporateurs,
porte-échantillon
chauffant/
refroidissant et un dispositif de manipulation et
récuperation de gaz marqués isotopiquement). De
nombreuses études (dont un certain nombre signalées
dans ce rapport) bénéficieront de ce nouveau dispositif.
5) Développements d'instruments
5.1) SURFER
Jean-Louis Cantin, Marie D’Angelo
Nous poursuivons la mise au point d’une
extension ultra vide pour notre spectromètre de résonance
électronique. Ce bâti permettra l’étude d’échantillons
sous ultra vide. Grâce à ce nouvel outil, nous aimerions
aborder trois vastes domaines de recherches : l’étude des
états de surface des surfaces de semiconducteurs en
fonction de leur reconstruction et de leur passivation,
l’étude du magnétisme de films ultra minces
ferromagnétiques et enfin l’étude des surfaces d’oxydes
et en particulier de leur défauts.
Les échantillons sont introduits à l’aide d’un sas
d’introduction rapide puis transférés à l’aide d’un
manipulateur-pince sur un porte échantillon en quartz qui
pénètre, pour la mesure, dans un tube de quartz placé
dans l’entrefer de l’aimant du spectromètre. Le
manipulateur-pince est isolé électriquement du bâti ce qui
permet de chauffer l’échantillon entre les pinces par
passage de courant. La surface peut être caractérisée par
LEED avant la mesure. Au premier semestre 2007, les
premières reconstructions ont pu être obtenues sur du Si
et du SiC. Les premières expériences seront menées sur la
surface 3x2 libre et partiellement hydrogénée du polytype
3C du SiC pour laquelle un état métallique original a été
identifié récemment (V. Derycke, P. Soukiassian, F.
6) Activités pluridisciplinaires
Depuis son installation en 1968, l’accélérateur et
chambres d’analyses qui constituent SAFIR, ainsi que
l’équipe qui l’entoure, ont été au centre d’un réseau
étendu et international d’équipes bénéficiant des
possibilités d’analyse et des interactions collaboratives
qui en découlent. Cette activité continue, avec la
participation d’une quinzaine d’équipes externes à l’INSP
pendant la periode couverte par ce rapport. Nous
comptons étendre l’esprit d’ouverture traditionnel autour
de SAFIR aux expériences de MEIS.
Parmi toutes les études menées, allant de la
physique nucléaire jusqu’à la géologie, le comportement
de matériaux sous irradiation, la croissance de couches
nanoporeuses anodiques ou des couches minces pour la
spintronique, nous en présentons ici 3 qui ont donné lieu
à des collaborations particulièrement fructueuses. L’étude
décrite dans la section 2.2 est également le fruit de la
structure coopérative autour de SAFIR.
46
et
étude
d’une
métal-semiconducteur
température et de pression.
Nous avons étudié leur
composition notamment par RBS et analyse nucléaire.
Dans tous les cas, il y a formation de strates d’oxydes de
différentes compositions (de V2O5 à la surface à VO2 à
l’interface). On note aussi une diffusion notable
d’oxygène dans le substrat métallique.
Ce travail a été accompli notamment avec des équipes de
l’université de Rennes et de Thalès. Nous avons montré,
en cohérence avec le diagramme de phase ternaire Fe-GaAs, que l’interdiffusion en phase solide dans des
hétérostructures épitaxiales Fe/GaAs(001) conduisent
vers 500°C à la formation de contacts Fe3GaAs. Les films
ternaires formés sont constitués de grains d’orientation en
épitaxie avec le substrat. Les propriétés magnétiques et
électriques de ces films les rendent intéressants dans la
perspective de la métallisation de structures
magnétoélectroniques. Nous avons étudié en détail la
structure cristallographique des films et de leur interface
par RBS-Canalisation, diffraction de rayons X et
microscopie électronique à transmission. Les propriétés
magnétiques ont été étudiées par magnétométrie à
gradient de champ alternatif.
6.3) Etude des propriétés structurales et
électriques de couches de LaAlO3 de haute constante
diélectrique formées par pulvérisation cathodique
réactive sur Si monocristallin
6.1)
Elaboration
hétérostructure magnétique
stable : Fe3GaAs/GaAs (001).
F. Abel, C. Cohen, I. Vickridge
Références : [21]
C. Cohen, J.-J. Ganem, A. L’Hoir, I. Trimaille
Cette étude, menée avec l’équipe de B. Agius du
LPGP à Orsay, s’inscrit dans la recherche de
diélectriques à haute constante diélectrique, alternatifs à
la silice, pour la production de dispositifs miniaturisés.
Nous avons cherché à optimiser les conditions
d’obtention des films de LaAlO3 : pression de dépôt
(régime balistique ou thermalisé) et caractéristique de
recuits post-déposition. Nous avons étudié pour ces
différentes conditions la stoechiométrie des films ainsi
que le désordre et l’oxydation du substrat de Si à
l’interface. Ces études ont été menées par RBScanalisation, analyse nucléaire, XPS et ellipsométrie. Les
propriétés électriques des films ainsi caractérisés étaient
étudiées par des mesures C(V). Les meilleures
caractéristiques électriques des structures MOS, en
termes de charges fixes et de densité minimale de pièges,
6.2) Etude de films d’oxyde de vanadium
formés sur vanadium métallique et de leur
intercalation en lithium
E. Briand, C. Cohen, I. Vickridge,
Références : [40], [41], [60]
Ce travail est conduit avec le laboratoire de physicochimie des surfaces à l’ENSCP. Le but de ce travail est
produire des cathodes adaptées pour des microbatteries
au lithium. Des films minces d’oxyde de vanadium V2O5
cristallins sur vanadium sont de bons candidats. Nous
avons produit de tels films par oxydation anodique ou
oxydation thermique sous différentes conditions de
ont été obtenues pour la plus haute température de recuit
étudiée (600°C), bien que les études structurales et de
composition montrent la croissance à cette température
d’une zone interfaciale mixte et désordonnée de l’ordre
de 2 nm.
Publications
[1]. «Osirak, la bombe et les inspections»;
Amsel G. ; Le Monde ; 16/10/2003, p. 15 ;
2003
[5]. «Multiple electron capture from thin C-foils
into 91 MeV/u U91+»; Braüning H., BraüningDemian A., Bednarz G., Bosch F., Cai X.,
Cohen C., Dauvergne D., Gumberidze A.,
Kirsch R., Kozuharov C., Liesen D., Mokler
P.H., Rozet J.P., Stachura Z., Stölker Th.,
Terasawa M., Toleikis S., Warczak A. ; Nucl
Instrum and Meth. In Phys. Res. B ; 205 ; 826829 ; 2003
[2]. «Small angle multiple scattering of fast ions,
physics, stochastic theory and numerical
calculations»; Amsel G., Battistig G.,
L’Hoir A. ; Nuclear Instruments and Methods
in Physics Research Section B : Beam
Interactions with Materials and Atoms ;
Volume 201, Issue 2 ; 325-388 ; 2003
[6]. «Impact parameter dependent electron capture
by decelerated U91+ at 20 MeV/u using crystal
channeling conditions»; Dauvergne D.,
Braüning-Demian A., Bosch F., Braüning H.,
Chevallier M., Cohen C., Gumberidze A.,
L'Hoir A., Kirsch R., Kozuharov C., Liesen D.,
Mokler P.H., Poizat J.C., Ray C., Stölker Th.,
Tarisien M., Testa E., Toleikis S. and
Toulemonde M. ; Nucl Instrum and Meth. In
Phys. Res. B ; 205 ; 773-778 ; 2003
[3]. «Damage distributions induced by channeling
implantation of nitrogen into 6H silicon
carbide»; Zolnai Z., Khanh N.Q., Lohner T.,
Ster A., Kótai E., Vickridge I. and Gyulai J.;
Materials Science Forum ; 433-436 : 645-648 ;
2003
[4]. «Thermal growth of SiO2 on SiC investigated
by isotopic tracing and subnanometric depth
profiling»;
Radtke
C.,
Baumvol
I.,
Stedile F. C., Vickridge I., Ganem J.,
Trimaille I., Rigo. S. ; Appl. Surf. Sci.; 212-13 :
570-574 ; 2003
[7]. «EPR Studies of SiC/SiO2 Interfaces in N-type
4H- and 6H-oxidized Porous SiC»; von
Bardeleben H.J., Cantin J.L., Mynbaeva M.,
Saddow S.E., Shishkin Y.,.Devaty R.P,
Choyke W.J.;
Electrochemical
Society
Conference Proceedings ; 2003-02 ; 2003
47
[8]. «Spins and Magnetism of Amorphous Carbon»;
von Bardeleben H.J., Cantin J.L., Zellama K.,
Zeinert A. ; Diamond and Related Materials ;
12 ; 124 ; 2003
[18]. «Nanostructuring the Er-Yb distribution to
improve the photoluminescence response of
thin films»; Suarez-Garcia A., Serna R.,
Jiménez de Castro M., Afonso C.N. and
Vickridge I.; Appl. Phys. Lett.; 84 (12) ; 21512153 ; 2004
[9]. «A
Combined
EPR
and
Modulated
Photocurrent Study of native Defects in
Bridgman grown Vanadium doped cadmium
Telluride the case of the tellurium Antisite»;
Verstaeten D., Longeaud C., Ben Mahmoud A.,
von
Bardeleben
H.J.,
Launay
J.C.,
Viraphong O., Lemaire Ph.C.; Semiconductor
Science and Technology ; 18 ; 919 ; 2003
[19]. «Thermal oxidation of 6H SiC studied by
oxygen isotopic tracing and narrow resonance
profiling»; Trimaille I., Ganem J.-J., Rigo S.,
Vickridge I. C., Battistig G., Szilagyi E and
Stedile. F.C. ; Nucl. Instr. And Meth. B ; 219220 ; 914-918 ; 2004
[10]. «Probing Vanadium doped cadmium telluride
density of states: energy level of the tellurium
antissite»; Verstraeten D., Longeaud C., von
Bardeleben H.J., Launay J.C., Viraphong C.,
Lemaire Ph.C. ; Trends in Optics and Photonics
Series ; 878 ; 183 ; 2003
[20]. «Study of Thin Hafnium Oxides Deposited by
ALD»; Ganem J-J., Trimaille I., Vickridge I.C.,
Blin D. and. Martin F ; Nucl. Instr. And Meth.
B.; 219-220 ; 856-861 ; 2004
[21]. «Fe3GaAs/GaAs(001): a stable and magnetic
metal-semiconductor
heterostructure»;
Lépine B., Lallaizon C., Schieffer P.,
Guivarc'h A., Jezequel G., Rocher A., Abel F.,
Cohen C., Deputier S., Nguyen Van Dau F.;
Thin Solid Films ; 446 ; 6-11; 2004
[11]. «Growth of anthracene thin films by matrixassisted pulsed-laser evaporation»; GuttierrezLlorente A., Perez-Casero R., Pajot B.,
Roussel J., Defourneau R-M., Defourneau D.,
Fave J-L., Millon E. and Perrière J. ; Appl.
Phys. A ; 77 ; 785-8 ; 2003
[22]. «High energy ion channeling. Principles and
typical applications»; Cohen C., Dauvergne D.;
Nucl Instrum and Meth. In Phys. Res. B ; 225 ;
40-71; 2004
[12]. «Isotope effects in the electronic spectra of
singly ionised S+ and Se+ donors in silicon»;
Pajot B., Clerjaud B. and McCluskey M-D.;
Physica B ; 340-342 ; 760-4 ; 2003
[23]. «Electron emission induced by fast heavy ions
in a thin silicon crystal»; Barrué F.,
Chevallier M., Dauvergne D., Kirsch R.,
Poizat J.-C., Ray C., Adoui L., Cassimi A.,
Rothard H., Toulemonde M., Cohen C.,
L’Hoir A., Vernhet D., Demonchy C., Giot L.,
Mittig W., Pita S., Roussel-Chomaz P.,
Billebaud A.; Phys. Rev. A ; 70 ; 032902-1-6 ;
2004
[13]. «High-resolution
vibrational
mode
spectroscopy of the negatively charged oxygenvacancy
complex
in
germanium»;
Vanmeerbeek P., Clauws P., B. Pajot B.,
Nylandsted Larsen A. ; Physica B.; 340-342 ;
795-8 ; 2003
[14]. «Electron paramagnetic resonance study of Zn1: a predicted high-temperature
xCoxO
ferromagnetic semiconductor»; Jedrecy N., von
Bardeleben H.J., Zheng Y., Cantin J.L.; Phys.
Rev.; B69 R041308-1-R041308-4 ; 2004
[24]. «Impurities and related microstructure in
nanocrystalline silicon films grown by
radiofrequency
magnetron
sputtering»;
Goncalvez C., Lejeune M., Charvet S.,
Zeinert A., Grosman A., von Bardeleben H.J.,
Zellama K.; Thin Solid Films ; 451-452 ; 370;
juin 2005
[15]. «Paradoxical features of small angle angular
multiple scattering in matter and their
implications in depth profiling with IBA»;
Amsel G., Battistig G., L'Hoir A. ; Nucl. Instr.
and Methods B ; 219 -220 ; 1037-1042 ; 2004
[25]. «Identification of the Carbon Dangling Bond
Center at the 4H-SiC=SiO2 Interface by an EPR
Study in Oxidized Porous SiC»; Cantin J. L.,
von Bardeleben H.J., Shishkin Y., Ke Y.,
Devaty R. P., and Choyke W. J.; Phys. Rev.
Lett ; 92 ; 015502 ; 2004
[16]. «Thermal growth of silicon oxynitride films on
Si : A reaction-diffusion approach»; De
Almeida R.M.C., Baumvol I.J.R., Ganem J.-J.,
Trimaille I., Rigo S.; Journal of applied
physics ; 95 : 1770-1773 ; 2004
[26]. «Microscopic Structure and Electrical Activity
of 4H-SiC/SiO2 Interface Defects: an EPR
study in oxidized porous SiC»; von
Bardeleben H.J., Cantin J.L., Shishkin Y.,
Devaty R.P., Choyke W.J.; Materials Science
Forum ; 457-460 ; 1457 ; 2004
[17]. «Critical Review of the current status of
thickness measurements for ultra-thin SiO2 on
Si Part V: Results of a CCQM pilot study»;
Seah M. P., Spencer S. J., Bensebaa F.,
Vickridge I. et 33 autres ; Surf. Interface Anal.;
36 ; 1269-1303 ; 2004
[27]. «Isotope effects in the electronic spectrum of
S+ and Se+ in silicon»; Pajot B., Clerjaud B.,
and McCluskey M. D.; Phys. Rev. B ; 69 ;
185210/1-7 ; 2004
48
[28]. «Vibrational lifetimes and isotope effects of
interstitial oxygen in silicon and germanium»;
Sun B., Yang Q. , Newman R. C., Pajot B.,
Tolk N. H., Feldman L. C., and Luepke G.;
Phys. Rev. Lett.; 92 ; 185503/1-4 ; 2004
[37]. «A Monte-Carlo Code for the Simulation of
Heavy-Ion Tracks in Water»; Champion C.,
L'Hoir A., Politis M.F., Fainstein P.D.,
Rivarola R.D. and Chetioui A. ; Radiation
Research ; 163 ; 222-231 ; 2005
[29]. «High-resolution local vibrational mode
spectroscopy and electron paramagnetic
resonance study of the oxygen-vacancy
complex
on
irradiated
germanium»;
Vanmeerbeck P., Clauws P., Vrielinck H.,
Pajot B., Van Hoorebeke L., and Nylandsted
Larsen A. ; Phys. Rev. B.; 70 ; 035203/1-8 ;
2004
[38]. «Ion slowing-down and charge exchange at
small impact parameters selected by
channeling»; L'Hoir A., Adoui L., Bosch F.,
Bräuning-Demian A., Bräuning H., Bosch F.,
Cassimi A., Chevallier M., Cohen C.,
Dauvergne D., Giot L., Gumberidze A.,
Kirsch R., Kozhuharov C., Liesen D.,
Mittig W., Mokler P., Poizat J.C., Ray C.,
Rothard H., Roussel-Chomaz P., Rozet J.P.,
Stöhlker Th., Tarisien M., Testa E., Toleikis S.,
Toulemonde M., Verma P., Vernhet D. and
Vickridge I.C.; Nucl. Instrum. and Meth. B ;
[30]. «Modification of the oxide/semiconductor
interface by high temperature NO treatments: a
combined EPR, NRA and XPS study on
oxidized porous and bulk n-type 4H-SiC»; von
Bardeleben H. J., Cantin J.L. , Vickridge I.C.,
Yongwei Song, Dhar S., Feldman L.C.,
Williams J. R., Ke L., Shishkin Y.,
Devaty R.P., Choyke W. J.; Mats. Sci. For. ;
483-485 ; 277-80 ; 2005
245 (1) 1-14 ; 2006
[39]. «Electron gas polarization effect induced by
channeled highly charged decelerated ions»;
Testa E., Dauvergne D., Bräuning-Demian A.,
Bosch F., Bräuning H., Chevallier M., Cohen
C., Gumberidze A., L'Hoir A., Kirsch R.,
Kozhuharov C., Liesen D., Mokler P.H., Poizat
J.-C., Ray C., Rozet J.-P., Stöhlker Th.,
Toleikis S., Toulemonde M. and Verma P.;
Nucl. Instrum. and Meth. B ; Volume 245(1)
47 ; April 2006
[31]. «Controlling energy transfer from Er3+ to Tm3+
for improved broadband infrared emission in
Er-Tm: Al2O3 thin films»; Xiao Z., Serna R.,
Afonso C.N. and Vickridge I.; Appl. Phys.
Lett.; 87 ; 111103 ; 2005
[32]. «On the control of the reactivity at the metal
silica interface»; Jarrige I., Jonnard P. and
Vickridge I.; Appl. Phys. Lett.; 86 (20)
204105 ; 1-3 ; 2005
[40]. «Thin films of vanadium oxide grown on
vanadium metal: oxidation conditions to
produce V2O5 films for Li-intercalation
applications»; Lindström R., Maurice V.,
Zanna S., Klein L., Groult H., Perrigaud L.,
Cohen C., Marcus P.; Surface and Interface
analysis 38 (1); pp. 6-18 ; 2006
[33]. «A round robin characterization of the
thickness and composition of thin to ultra-thin
AlNO films»; Barradas N.P., Added N.,
Arnoldbik W.M., Bogdanović-Radović I.,
Bohne W., Cardoso S., Danner C.,
Dytlewski N., Freitas P.P., Jakšić M.,
Jeynes C., Krug C., Lennard W.N., Lindner S.,
Linsmeier Ch., Medunić Z., Pelicon P.,
Pezzi R. P., Radtke C., Röhrich J.,
Sajavaara T., Salgado T.D.M., Stedile F.C.,
Tabacniks M.H., Vickridge I.; Nucl. Instr. And
Meth. B.; 227 ; 397-419 ; 2005
[41]. «Li-intercalation behaviour of vanadium oxide
thin film prepared by thermal oxidation of
vanadium metal»; Lindström R., Maurice V.,
Groult H., Perrigaud L., Zanna S., Cohen C.,
Marcus P.; Electrochimica Acta 51 (23);
pp. 5001-5011 ; 2006
[42]. «Growth of Ni-Al alloys on Ni(111): I)
Formation of epitaxial Ni3Al from ultra-thin Al
deposits»; Le Pévédic S., Schmaus D.,
Cohen C.; Surf. Sci. ; 600 ; 565-576 ; 2006
[34]. «The contribution of stable isotopic tracing,
narrow nuclear resonance depth profiling, and a
simple stochastic theory of charged particle
energy loss to studies of the dry thermal
oxidation of SiC»; Vickridge I. C., Ganem J. J.,
Trimaille I., and Cantin J.-L.; Nucl. Instr. And
Meth. B.; 232 ; 272-279 ; 2005
[43]. «Evidence of Z=120 compound nucleus
formation from lifetime measurements in the
238
U+Ni reaction at 6.62 MeV/nucleon»;
Charvet J.L., Chbihi A., Chevallier M.,
Cohen C., Dauvergne D., Dayras R.,
Drouart A.,
Escano
Rodriguez
C.,
Frankland J.D., Jacquet D., Kirsch R.,
Lautesse P., Laget M., L'Hoir A., Morjean M.,
Nalpas L., Ray C., Stodel C., Testa E.,
Volant C.; International Symposium on Exotic
Nuclei "EXON 04"; Peterhof, Russie ; 2004
[35]. «Characterisation of SiC thin film obtained by
magnetron reactive sputtering»; Colder H.,
Morales M., Rizk R. and Vickridge I.; Mats.
Sci. For.; 485 ; 297 ; 2005
[36]. «Influence of substrate temperature on growth
of nanocrystalline silicon carbide by reactive
magnetron sputtering»; Colder H., Rizk R.,
Morales M., Marie P., Vicens J. and
Vickridge I.; J. Appl. Phys.; 98 ; 024313 ; 2005
[44]. «Magnetic Interactions in Zn1-xMnxO studied
by
Electron
Paramagnetic
Resonance
Spectroscopy»;
Chikoidze
E.,
von
Bardeleben H.J., Dumont Y. , Galtier P.,
Cantin J.L.; J. of Appl.Phys ; 97 ; D316 ; juin2005
49
[45]. «Correlation of Optical absorption and electron
spin resonance in annealed a-C :H films»;
Bouzerar R., Zeinert A., von Bardeleben H.J.;
Diamond and Related Materials ; 14 ; 1108 ;
2005
[55]. «Radiation Damage in Zirconia investigated by
Positively Charged Particles»; Grynszpan R.I.,
Brauer G., Anwand W., Malaquin L., Saudé S.,
Vickridge I., Briand E.; Sous presse dans Nucl.
Instr. And Meth. B ; 2007
[46]. «RBS Channeling and EPR Studies of Damage
in 2 MeV Al2+ implanted 6H-SiC substrates»;
Morilla Y., Garcia-Lopez J., Battistig G.,
Cantin J.L., Cheang-Wong J.C., von
Bardeleben H.J., Respaldiza M.A. ; Material
Science Forum ; 483-485 ; 291 ; 2005
[56]. «Thermal ammonia nitridation on HfO2 and
Hafnium silicates thin films»; Ganem J.-J.,
Trimaille I., Vickridge I. C. and Gusev E.P.;
Nucl. Instr. and Meth. B ; 249 (1-2) 517-522;
2006
[57]. «Growth of SiO2 on SiC by dry thermal
oxidation : mechanisms»; Vickridge I.,
Ganem J.-J., Hoshino Y., Trimaille I.; J. Phys.
D , sous presse ; juin 2007.
[47]. «Modification of the oxide/semiconductor
interface by high temperature NO treatments: a
combined EPR, NRA and XPS study on
oxidized porous and bulk n-type 4H-SiC»; von
Bardeleben H.J., Cantin J.L., Vickridge I.C.,
Song Y., Dhar S., Feldman Leonard C.,
Williams J.R., Ke L., Shishkin Y., Devaty R.P.,
Choyke W.J.; Material Science Forum ; 483485 ; 273 ; 2005
[58]. «Characterization
and
optimization
of
magnetron sputtered Sc/Si multilayer for
extreme ultraviolet optics»; Gautier J.,
Delmotte F., Bridou F., Ravet M. F.,
Varnière F., Roulliay M., Jerome A. and
Vickridge I.; Appl. Phys. A., sous presse ; 2007
[48]. « Interface Defects in n-type 3C-SiC/SiO2: An
EPR Study of Oxidized Porous Silicon Carbide
Single Crystals»; von Bardeleben H.J.,
Cantin J.L., Ke L., Shishkin Y., Devaty R.P.,
Choyke W.J.; Material Science Forum ; 483485 ; 273 ; 2005
[59]. «Handling, purification and recovery of
isotopically enriched water or gases for isotopic
tracing experiments with ion beam analysis in
electrochemistry and physics»; Amsel G.,
Battistig G., Samuel D., Ortega C., Ganem J.-J.,
Rigo S., Trimaille I., Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research B ; 255 ; 423–
434 ; 2007
[49]. «Monte-Carlo simulation of ion track in silicon
and influence of its spatial distribution on
Single Event Effects» ; Colladant T., L'Hoir A,
Sauvestre J.E. and Flament O.; Nucl. Instr. and
Meth. in Phys. Res. B245 (2) 464-474 ; 2005
[60]. «Ageing of V2O5 thin films induced by Li
intercalation multi-cycling»; ŚwiatowskaMrowiecka J., Maurice V., Zanna S., Klein L.,
Briand E., Vickridge I., Marcus P.; J. Power
Sources ; 170(1) ; 160-172 ; 2007
[50]. «Nature of Capillary Condensation and
Evaporation Processes in Ordered Porous
Materials»; Grosman A. and Ortega C.;
Langmuir ; 21(23) ; 10515-10521; 2005
[61]. «Growth of Ni-Al alloys on Ni(111), from Al
deposits of various thicknesses: (II) Formation
of NiAl over a Ni3Al interfacial layer»; Le
Pévédic S., Schmaus D., Cohen C.; Surf. Sci. ;
601 ; 395-410 ; 2007
[51]. «A combined photluminescence and electron
paramagnetic resonance study of low energy
electron irradiated 4H-SiC»; Sullivan W.,
Steeds J.W., von Bardeleben H.J., Cantin J.L.;
Materials Science Forum ; 527-529 ; 477-480 ;
2006
[62]. «Selective silver atom interaction and diffusion
on β-SiC(100) surfaces»; D’Angelo M.,
Aristov V. Yu and Soukiassian P.; Phys. Rev.
B ; 75 ; 1 ; 2007
[52]. «Influence of annealing on the structural and
magnetic properties of epitaxial ZnMnO films
grown by MOCVD on sapphire»; Chikoidze E.,
von Bardeleben H.J., Dumont Y., Jomard F.,
Gorochov O.; Phys. Stat. Sol.(c) ; 3 ; 1001 ;
2006
[63]. «Self-Assembly
of
Two-Dimensional
Nanoclusters : From Surface Molecules to
Surface Superstructure»; Liu C., Matsuda I.,
D'Angelo M., and Hasegawa S.: Phys. Rev. B ;
74 ; 235420 ; 2006
[53]. «The impact on materials science of Ion Beam
Analysis with electrostatic accelerators »;
Amsel G., Battistig G.; Nucl. Instr. and
Methods B ; 240 ; 1-12 ; 2005
[64]. «Book Review : Ion Beam Science: Solved and
Unsolved Problems»; Ed. P. Sigmund;
Vickridge I. C., manuscript NIMB54921, sous
presse dans Nucl. Instr. and Meth. B ; juin 2007
[54]. «TaSiN diffusion barriers deposited by reactive
magnetron
sputtering.»
Letendu
F.,
Hugon M.C., Agius B., Vickridge I.,
Berthier C. and Lameille J.M.; Thin Solid
Films ; 513 ; 118-124 ; 2006
[65]. «Hydrogen Passivation of Carbon Pb Centers at
the 3C- and 4H-SiC/SiO2 interfaces in oxidized
porous SiC»; Cantin J.L., von Bardeleben H.J.,
Shishkin Y.K., Devaty R.P., Choyke W.J.;
Appl. Phys. Lett.; 88 ; 092108 ; 2006
50
[66]. «Forming gas annealing of the carbon PbC
center in oxydized porous 4H- and 3C-SiC»;
Cantin J.L., von Bardeleben H.J.; Materials
Science Forum ; 527-529 ; 1015 ; 2006
[73]. «Ferromagnetic Mn-Mn Interactions in low
thin
films»;
Ben
doped
Zn1-xMnxO
Mahmoud A., von Bardeleben H.J., Mauger A.,
Cantin J.L., Chikoidze E., Dumont Y.; Mater.
Res. Soc. Symp. Proc. ; 957 ; 0957-K10-7 ;
2007
[67]. «Ferromagnetic Resonance Study of GdN thin
films with bulk and extended lattice constants»;
Khazen K., von Bardeleben H.J., Cantin J.L.,
Bittar A., Granville S., Trodahl H.J., Ruck B.J.,
Phys. Rev. B ; 74 ; 245330 ; 2006
[74]. «Expansion and Collapse of domains with
reverse magnetization in GaMnAs epilayers
with perpendicular easy axis»; Dourlat A.,
Gourdon C., Jeudy V., Testelin C., Khazen K.,
Cantin J.L., von Bardeleben H.J., Thevenard L.,
Lemaitre A.; IEEE Transactions on Magnetics ;
43 ; 3022 ; 2007
[68]. «From ferromagnetic to antiferomagnetic
interactions in n-type Zn1-xMnxO: an electron
paramagnetic
resonance
study»;
Ben
Mahmoud A., von Bardeleben H.J., Cantin J.L.,
Mauger A., Chikoidze E., Dumont Y.;
Phys.Rev.B ; 74 ; 115203 ; 2006
[75]. «Dependence of Magnetic Anisotropies and
critical temperatures on the hole concentration
in ferromagnetic GaMnAs thin films»;
Khazen K., von Bardeleben H.J., Cantin J.L.,
Lemaitre A.; IEEE Transactions on Magnetics ;
43 ; 3028 ; 2007
[69]. «An Electron Paramagnetic Resonance Study
of n-type Zn1-xMnxO : a diluted magnetic
semiconductor»; Ben Mamoud A., von
Bardeleben H.J., Cantin J.L., Mauger A.,
Chikoidze E. ; J. Appl. Phys. ; 101 ; 013902 ;
2007
[76]. «Evolution of the magnetic anisotropy with
carrier density in hydrogenated GaMnAs»;
Lemaitre A., Khazen K., von Bardeleben H.J.;
Phys. Rev. B ; 75 ; 195218 ; 2007
[70]. «Exchange Interactions between magnetic ions
and free carriers in ZnMnO: an electron
paramagnetic resonance analysis»; Ben
Mahmoud A., von Bardeleben H.J., Cantin J.L.,
Chikoidze E., Dumont Y., Mauger A.; J. Appl.
Phys. ; 101 ; 09H102 ; 2007
[77]. «Effects of sputter deposition parameters and
post-deposition annealing on the electrical
characteristics of LaAlO3 dielectric films on
Si»; Edon V., Hugon M.C., Agius B., Miotti L.,
Radtke C., Tatsch F., Ganem J.J., Trimaille I.
et Baumvol I.J.R.; Appl. Phys. A ; 83 ; 289293 ; 2006
[71]. «Elaboration and Characterization of ZnO
Transition
Metal
doped
Aerogel
Nanoparticles»; El Mir L., Ben Mahmoud A.,
von Bardeleben H.J., Cantin J.L.; Mater. Res.
Soc. Symp. Proc. ; 957 ; 0957-K10-6 ; 2007
[78]. «Structural and electrical properties of the
interfacial layer in sputter deposited LaAlO3/Si
thin films»; Edon V., Hugon M.C., Agius B.,
Cohen C., Cardinaud Ch. et Eypert C.; sous
presse dans Thin Solid Films ; juin 2007
[72]. «Magnetic properties of ZnO:Ni aerogel
nanopowders : effect of thermal annealings»;
Mater. Res. Soc. Symp. Proc. ; 957 ; 0957K10-17 ; 2007
•
Livres (ou chapitres de livres)
[L1] «Chapter 4. MeV Ion Beam Analytical
Methods»; Schmaus D., Vickridge I.; Dans
“Analytical Methods for Corrosion Science and
Engineering” Eds P. Marcus and F. Mansfeld.;
Taylor and Francis ; 2006
Conférences invitées dans congrés internationaux
•
«EPR Studies of SiC/SiO2 Interfaces in N-type
4H- and 6H-oxidized Porous SiC» ; von
Bardeleben H.J., Cantin J.L., Mynbaeva M.,
Saddow S.E., Shishkin Y., Devaty R.P.,
Choyke W.J. ; Electrochemical Society Spring
Meeting ; Paris ; 2003
•
«The Role of Ion Beam Analysis in study of the
composition and structure of oxides» ;
Vickridge I.C. ; Conférence Plénière
d’Ouverture au 16th International Conference
on IBA ; Albuquerque, Etats-Unis ; juillet 2003
•
«Microscopic Structure and Electrical Activity
of 4H-SiC/SiO2 Interface Defects : an EPR
study in oxidized porous SiC»; von Bardeleben
H.J., Cantin J.L., Shishkin Y., Devaty R.P.,
Choyke W.J. ; Int.Conf.on SiC and related
Materials ; Lyon ; septembre 2003
•
•
•
51
«The contribution of stable isotopic tracing,
narrow nuclear resonance depth profiling, and a
simple stochastic theory of charged particle
energy loss to studies of the dry thermal
oxidation of SiC»; Vickridge I. C., Ganem J. J.,
Trimaille I. and Cantin. J.-L.; IISC-15,
"Inelastic Ion-Surface Collisions" ; Ise-Shima,
Japon ; octobre 2004
«1.4-1.7 mm band emission properties of Tm3+
in Al2O3 thin films»; Zhisong Xiao, Serna R.,
Afonso C.N., Vickridge I. ; V6.1 au MRS
Spring Meeting ; San Francisco ; fevrier 2005
«Isotopes and ion beams in the study of
dielectric/semiconductor thin film systems»;
Vickridge I., von Bardeleben H. J., Cantin J.L., Ganem J.-J. and Trimaille. I.; 10th
International Conference on the Formation of
Semiconductor Interfaces (ICFSI10) ; Aix-enProvence, France ; juillet 2005
«Defects and Compositional Analysis of asdeposited and nitrided (100)Si/SiO2/Hf1-xSixO2
stacks by Electron Paramagnetic resonance and
ion beam analysis»; von Bardeleben H.J.,
Cantin J.L, Ganem J.J., Trimaille I.,
Gusev E.P. ; Defects in Advanced High-k
Dielectric Nano-Electronic Semiconductor
Devices ; St.Petersbourg, Russie ; juillet 2005
•
•
•
•
«Hydrogenated Amorphous Carbon Film
Coating of PET Bottles for Gas Diffusion
Barriers»; Boutroy N., Pernel Y., von
Bardeleben H.J., Cantin J.L., Abel F.,
Zeinert A., Casiraghi C., Ferrari A.C.,
Robertson J. ; Diamond 2005, Toulouse ;
septembre 2005
«Ion slowing-down and charge exchange at
small impact parameters selected by
channeling »; L’Hoir A., Adoui L., Bosch F.,
Bräuning-Demian A., Bräuning H., Bosch F.,
Cassimini A., Chevallier M., Cohen C.,
Dauvergne D., Giot L., Gumberidze A.,
Kirsch R., Kozhuharov C., Liesen D.,
Mittig W., Mokler P., Poizat J. C., Ray C.,
Rotlhard H., Roussel-Chomaz P., Rozet J.P.,
Stöhlker Th., Tarisien M., Testa E., Toleikis S.,
Toulemonde M., Verma P., Vernhet D.,
Vickridge I.; The Sixth International
Symposium on Swift Heavy Ions in Matter ;
Aschaffenburg (Bavaria), Allemagne ; May 2831, 2005
«Ultra-thin film and interface analysis with
beams of rapid ions»; Vickridge I., Ganem J.-J.,
Trimaille I. and Hoshino Y.; Conférence orale
Pléniaire Invitée au congrés AMN3, Advanced
Materials and Nanoscience III ; Wellington,
Nouvelle Zélande ; 11-15 février 2007.
«Développements de l'analyse par faisceaux
d'ions rapides appliquée à la détermination de la
composition et la structure des solides et à
l’étude des mouvements atomiques qui les
modifient», Vickridge I. C., HDR UPMC, 2004
•
G. Battistig, MTA-CNRS (Budapest).
•
R. Serna, Inst Optique Madrid
Autres
Contrats privés
•
Sidel : « Caractérisation des Couches ACTIS
(a-C:H)déposées sur PET » (2003) : J. von
Bardeleben
•
Sidel : « Etude de Vieillissement des Couches
de a-C:H sous irradiation optique » ; 2004 ;
von Bardeleben J.
•
ST Microelectronique/MINEFI : « Analyse des
défauts et composition chimique des
diélectriques de grille pour les technologies
65nm et au-delà » ; 2004 ; von Bardeleben J.
•
JAS Conseil : « Etude des couches minces
d'YBaCuO+X interdépendance entre le mode
de croissance et les propriétés physiques et
structurales »; 01/2004-01/2005 ; Vickridge I.
•
JAS Conseil : « Etude des couches minces
d'oxydes à propriété particulières tels que les
supraconducteurs à hte température critique,
les
ferroélectriques
ou
les
oxydes
magnétiques» ; 01/2005-01/2006 ; Vickridge I.
•
CROLLES : «Développement
de
filières
nanoélectriques»;10/2004-10/2005; Cantin J.L.
Thèses et HDR
• «Etude de la formation et de l'oxydation de
couches minces d'alliages Al-Ni après dépôt
d'Al sur un monocristal de Ni(111)», Le
Pévédic Séverine, thèse UPMC, 2007
• «Ingénierie des défauts dans les semi-
conducteurs II-VI: application aux
matériaux
photoréfractifs
CdTe
et
magnétiques ZnO», Ben Mahmoud Aroussi,
•
Vickridge Ian, 8th European Conference on
Accelerators in Applied Research and
Technology, September 2004, Paris
•
Vickridge Ian, Journées Surface Interfaces,
Paris, janvier 2007
thèse UPMC, 2007
52
Equipe II.1 –Couches Minces et Nanostructures Hybrides (V. H. Etgens)
Permanents : Eddrief Mahmoud, IR HC; Etgens Victor, CR1; Gendron François, MC ; Rivoire Michel, MC (depart à la
retraite le 31/08/2006); Marangolo Massimiliano, MC; Vidal Franck, MC; Zheng Yun-Lin, CR1.
Non permanents : Varalda José, post-doctorant ; Vodungbo Boris, doctorant ; Breitwieser Romain, doctorant.
l'élaboration des jonctions tunnel MnAs/GaAs/MnAs est
suivie in situ par STM et XPS : aucun signe de réactivité
d’interface, barrière Schottky établie. Toutefois,
l’impératif de continuité de la barrière de GaAs requière
une épaisseur minimale de 7 nm [40, thèse Garcia].
Notre recherche concerne les systèmes épitaxiaux
ayant une perspective d'applications en électronique de
spin. Citons comme exemple les dispositifs exploitant la
magnétorésistance tunnel, comme les hétérostructures
métal/semi-conducteur, les clusters magnétiques et les
oxydes magnétiques dilués. Nous étudions également les
systèmes hybrides oxyde/semi-conducteur.
Rappelons que la présence d'une interface
abrupte entre un FM et la barrière tunnel ne signifie pas
que les propriétés magnétiques du FM soient celles de
volume : (i) L’anisotropie uniaxiale des couches très
minces de fer epiaxiées sur ZnSe est déterminée par la
liaison chimique d’interface [24]. (ii) Le couplage
magnétique des couches de fer séparées par ZnSe [41] ou
MgO [47] dépend de l’épaisseur de la barrière tunnel très
fine. (iii) Les contraintes résiduelles dues à l’épitaxie
forcent la coexistence des phases α − ferromagnétique et
β − paramagnétique d’une couche de 100 nm de MnAs
[V. Garcia et al., soumis, 22]. Cette coexistence
s'organise sous la forme de raies alternées lorsque MnAs
est épitaxié sur GaAs(001) (voir figure 1). Nous avons
vérifié que ceci influe directement sur la structure
électronique du système [38].
A l’interface, les propriétés électroniques du
FM sont fortement perturbées par le SC contigu. Malgré
des valeurs de barrière de Schottky en bon accord avec
ceux attendues pour l'interface idéale, les spectroscopies
XPS et PED indiquent que l’interface réaliste (mais
toujours abrupte) du système Fe/ZnSe a une architecture
plus complexe [39]. Les petits déplacements atomiques à
l'interface ont des conséquences dramatiques pour
l’électronique de spin à cause de la diminution de la
polarisation magnétique de l’interface, comme le montre
les tout récents calculs DFT [Marangolo et Finocchi,
soumis]. D’autre part, nous avons montré que l’interface
MnAs/GaAs(111) a une forte polarisation magnétique
d’interface [25], plus importante que dans le MnAs de
volume. Ceci en fait un candidat très intéressant pour
l’injection et la détection de porteurs polarisés en spin
dans GaAs.
Nos thèmes de recherches vont de l'élaboration
jusqu'aux fonctionnalités des dispositifs élaborés en
passant par les propriétés physiques des couches
minces. L’optimisation de la croissance cristalline est
faite en liaison avec l'étude de la structure atomique in et
ex situ. Nous abordons ensuite les propriétés
électroniques et magnétiques des couches et de leurs
interfaces : détermination de la structure atomique et de
la composition des interfaces et des surfaces, rôle des
défauts et des contraintes, effets du dopage,
détermination des états électroniques et/ou magnétiques
spécifiques et des problèmes liés à la polarité.
Finalement, des dispositifs monolithiques exploratoires
sont réalisés et testés en collaboration avec l'unité mixte
de recherche CNRS-Thales notamment pour les
propriétés de magnéto transport. L'activité scientifique
ainsi que les publications de M. Rivoire et de F. Gendron,
réalisée en collaboration avec C. Julien, sera présentée
dans la partie de ce rapport concernant l'équipe "oxyde en
basses dimensions".
1) Surfaces, interfaces et couches minces :
structure et transitions de phases
Marangolo Massimiliano, Eddrief Mahmoud, Vidal
Franck, Zheng Yun-Lin, Gendron François, Breitwieser
Romain, Demaille Dominique, Etgens Victor
Références : [1], [22], [24], [38], [39], [40], [41], [47].
Malgré la forte réactivité constatée entre métaux
ferromagnétiques (FM) et semi-conducteurs (SC),
l’électronique de spin demande l’élaboration de couches
de SC (barrière tunnel) et de FM (électrodes) très fines,
continues et ayant des interfaces abruptes. L’optimisation
du processus de croissance des jonctions tunnel est
effectuée, in situ, à l’aide de la microscopie STM et de la
spectroscopie XPS et, ex situ, à l’aide de la microscopie
électronique (TEM), de la diffraction de rayons X (XRD)
et des techniques spectroscopiques au synchrotron (XAS,
XPS, XMCD). Cette procédure a permis de sélectionner
deux systèmes FM/SC ayant les caractéristiques
escomptées : Fe/ZnSe et MnAs/GaAs. Sur ces systèmes
modèles, diverses techniques expérimentales et
théoriques ont été employées afin d'accéder aux
propriétés ultimes des couches minces épitaxiales.
Perspectives : La coexistence de phases auto-organisée
de MnAs sur GaAs(001) nous intéresse et motive deux
projets :
1) Le premier concerne la détermination d'un modèle
magnéto élastique qui permettrait de décrire ce
phénomène d’auto organisation singulier.
Cette étude sera faite par une approche multi- techniques
complémentaires. Tout d’abord, l’observation directe de
l’auto - organisation avec le nouveau STM à température
variable lié aux bâtis de croissance. Les premières
mesures ont permis de réaliser « un film » de la
transition de phase (extraits dans la figure 1). Ces donnés
seront ensuite complétés par la photoémission
d’absorption X sur la ligne TEMPO à Soleil (projet
accepté) et par diffraction de neutrons au laboratoire
Léon Brillouin (LLB) à Saclay. La dynamique de spin
sera étudiée par diffusion Brillouin par l’équipe GHOST
de l’Université de Pérouse (Italie) et par Résonance
Ferromagnétique à Bariloche (Argentine) dans le cadre
de collaborations déjà établies.
Pour l'épitaxie des couches de MnAs sur
GaAs(111) nous avons défini premièrement les
conditions d'obtention de couches lisses et continues,
avec une stœchiométrie bien contrôlée, le rapport Mn/As
de surface déterminant la reconstruction atomique de la
surface [1, 36, thèse Ouerghi, thèse Lipinski]. Après
optimisation de cette première électrode, la suite de
53
mesures sous champ magnétique. L’avantage de ces
mesures spectroscopiques sera double : déterminer avec
plus de précision à quels états attribuer le magnétisme,
étudier le magnétisme de couches minces magnétiques
dans un empilement et/ou couplées.
Par ailleurs l’étude des propriétés optiques et
magnétiques des oxydes en couches minces, dopés ou
non, sera développée à l’INSP (Voir rapport de J.
Perrière).
2) Le deuxième projet se réfère au couplage magnétique
entre une couche de fer et le MnAs/GaAs(001).
Nous avons observé que lorsqu’une couche de fer de
quelques nanomètres est déposée sur les sillons alternées
de MnAs/GaAs (001) (gabarit magnétique), un couplage
magnétique complexe apparaît entre ces deux systèmes
dans l'intervalle de températures correspondant à la
transition
de
phases
ferromagnétique
(α)paramagnétique (β). L'origine de ce couplage
magnétique est mystérieuse et nous souhaitons l’élucider.
Ces travaux font partie de la thèse de Romain
Breitwieser, encadré par Maurizio Sacchi (Soleil), Jean
Michel Mariot (LCPMR-UPMC) et Massimiliano
Marangolo.
Nous avons récemment mesuré la réponse magnétique de
ce système par diffusion résonante magnétique de rayons
X (XRMS, coll. avec Maurizio Sacchi) à trois
températures : 0°C (phase α), 22°C (coexistence de
phases α-β) et 70°C (phase β). Cette technique permet
une sélectivité chimique en travaillant sur les seuils
d’absorption de Mn et de Fe. La dépendance en
température du signal dichroïque de Fe et Mn indique
clairement que la formation et la disparition des bandes
s’accompagnent de changements d’orientation du
couplage magnétique entre les couches de Fe et de Mn.
Un comportement magnétique complexe se dessine dans
la région de coexistence de phase, avec un état parallèle
lorsque les bandes apparaissent, puis évolution à un état
anti-parallèle pour enfin revenir à un état parallèle lors
de la disparition de celles-ci.
La suite de cette étude sera de suivre en
température par STM et XPS cette transition et ensuite
d'imager la structure des domaines magnétiques dans le
système Fe/MnAs/GaAs(001). Cela sera réalisé en
température pendant la transition de phases par
Microscopie de photoélectrons (PEEM) à Swiss Light
Source (SLS), à l’institut Paul Scherrer en Suisse
(proposition acceptée). Le magnétisme pourra être
quantitativement caractérisé par l'étude à haute
résolution spatiale du dichroïsme circulaire magnétique
des rayons X (XMCD). L’image complète vectorielle de
l’aimantation dans la bicouche Fe/MnAs/GaAs(001) nous
permettra de développer un modèle microscopique
décrivant le comportement complexe du couplage.
2) Jonctions tunnel magnétiques
Marangolo Massimiliano, Eddrief Mahmoud, Garcia
Vincent, Varalda José, Etgens Victor
Références : [25], [26], [35].
Un des éléments de base de l’électronique de spin
est la jonction tunnel magnétique où deux couches
ferromagnétiques sont séparées par une couche isolante
non magnétique. Le principe consiste à suivre la variation
du courant perpendiculaire à la structure lié à un
changement de configuration magnétique (parallèle ou
antiparallèle) des deux couches magnétiques qui est
piloté par un champ magnétique externe.
L’effet de modulation de la résistance sous
l’action d’un champ magnétique externe est appelé
magnétorésistance tunnel (TMR) dans le cas de la
jonction tunnel magnétique. Nous avons exploré les
propriétés de transport polarisé en spin de deux systèmes:
Fe/ZnSe [26] et de MnAs/ (GaAs et AlAs) [25]. En plus
de la mise au point de la croissance de telles structures,
un travail conséquent est la réalisation des jonctions
tunnel magnétiques par lithographie optique. L’étude du
transport tunnel polarisé en spin sur ces jonctions tunnel
magnétiques a permis de mettre en évidence une toute
nouvelle physique du transport tunnel résonant dépendant
du spin.
FIG.2 Image TEM d’une jonction MnAs/GaAs/MnAs et
mesure de la magnétorésistance de cette jonction après
l’addition d’un « plan de défauts » au centre de la
jonction [35].
En effet, la croissance à basse température des
couches semi-conductrices induit la formation de défauts
électroniques liés à des problèmes divers, à la formation
des défauts d'anti-phase dans le cas du ZnSe et de
stoechiométrie dans le cas du GaAs. Ces défauts créent
des états résonants avec lesquels les porteurs polarisés
interagissent. Un travail important de modélisation a
permis de comprendre les mécanismes de transport dans
ces structures. Finalement, nous avons pu modifier la
distribution des défauts dans la barrière tunnel de GaAs et
moduler les effets de magnétorésistance tunnel en accord
avec les prédictions du modèle.
FIG.1 Images STM (1μmx1μm) de la transition de phase
α−β de MnAs/GaAs(001).
Propriétés optiques et magnéto-optiques des matériaux
en films minces. Avec Gallas Bruno, Perrière Jacques,
Rivory Josette.
Les mesures optiques sur les phases α et β de MnAs en
sur GaAs(001) montrent l’existence de différences dans
leurs fonctions diélectriques. En particulier, une
transition vers 0.3 eV a été observée dans la phase αMnAs qui semble être absente dans β-MnAs. Nous
souhaitons étendre notre étude aux propriétés magnétooptiques afin de corréler les transitions interbandes
observées sur la fonction diélectrique au magnétisme du
matériau. Les mesures magnéto-optiques se feront sur les
éllipsomètres existants qui seront adaptés pour des
Perspectives : Nous souhaitons aborder la problématique
spécifique de l’injection et de la détection électrique des
porteurs polarisés en spin dans les SC qui est un des
verrous technologiques dans ce domaine. Cela requiert
une
amélioration
significative
des
montages
expérimentaux permettant d’aborder les points suivants :
54
- Améliorer la qualité des couches minces des systèmes
hybrides : meilleure reproductibilité, réduction du
nombre de défauts par une meilleure maîtrise des
paramètres de croissance, élaboration contrôlée des
clusters nanométriques dans une matrice semiconductrice, possibilité de réalisation de puits dopés n ou
p dans la couche semi-conductrice ;
hétérostructures du type MnAs/AlAs/GaAs/AlAs/MnAs,
éliminant ainsi les inconvénients de la croissance à basse
température. Le but est ici d’étudier les mécanismes de
transport et de relaxation de spin sur un niveau d’un
puits quantique.
Les études du transport dépendant du spin sur des états
localisés ou résonants incluent l’étude du renversement
d’aimantation par transfert de spin pour de fortes
densités de courant. Ceci nécessitera l'élaboration de
piliers submicroniques sur ce type de matériaux. Encore
une fois, la réussite de notre projet dépend très fortement
de la maîtrise de la croissance du MnAs sur un SC III-V.
- Amélioration de la technique de point contact par nanolithographie (UMR CNRS-THALES) ;
Dans le domaine de l’électronique de spin avec SC et
dans une perspective plus large d’information quantique,
le verrou technologique à lever est de maîtriser
l’injection électrique d’un courant polarisé en spin dans
le SC. Nos précédents travaux sur l’interface MnAs/GaAs
nous conduisent à proposer deux types d'étude :
3) Oxydes magnétiques dilués et couches
minces d’oxydes
Vodungbo Boris, Zheng Yunlin, Vidal Franck, Marangolo
Massimiliano, Demaille Dominique, Etgens Victor
Références : [3], [13], [20], [48], [50], [51].
1) Transport dépendant du spin sur un défaut localisé.
L’étude des propriétés de transport dans des jonctions
tunnels nous a permis de mettre en évidence des effets de
transport tunnel résonant sur une bande d’impuretés (ici
une bande d’anti-sites d’As) engendrés par la croissance
de la barrière à basse température. La signature de cet
effet se trouve dans la variation de la magnétorésistance
en fonction de la tension où des asymétries et des
inversions de signe sont observées. Une augmentation
significative de la magnétorésistance est attendue si la
conduction se fait via un seul défaut qui peut être vu dans
ce cas comme une boite quantique électronique ultime.
C’est ce travail que nous proposons de développer. Un
préalable consiste à maîtriser la croissance d’îlots de
MnAs comme électrode supérieure (figure 3-a) et nous
avons déjà étudié ce type de croissance[1]. Les
expériences sur rayonnement synchrotron permettront
d'affiner ensuite les paramètres tels que les propriétés
structurales (contrainte, taille, distance), magnétiques
des boîtes ainsi que pour déterminer les propriétés des
clusters de MnAs en termes de composition et
d'interaction magnétique entre clusters et avec la couche
continue. La prise de contact s’effectue ensuite par nanoindentation suivi d' un dépôt d’or pour le contact (figure
3-b). Ce type de structures doit permettre à plus long
terme d’aborder les mécanismes de transfert de spin en
régime de transport tunnel résonant.
L'étude des couches minces et des structures hybrides
d’oxyde s’articule autour de deux thèmes majeurs :
(i) Magnéto-transport à travers une couche planaire de
nanoparticules magnétiques dans une matrice oxyde,
(ii) Couches minces d’oxydes magnétiques dilués.
(i) La magnétorésistance tunnel (TMR) a été observée
dans des nombreux systèmes granulaires formés par des
nanoparticules de métaux ferromagnétiques insérées dans
une matrice isolante ou semi-conductrice [49]. Nous
avons étudié le magnéto-transport d'un plan de
nanoparticules de cobalt métallique (diamètre 2-3 nm)
insérés dans une matrice d’oxyde de titane. Ces
échantillons, préparés par ablation laser, ont fait l’objet
d’une étude structurale et spectroscopique très complète
[51]. Si les effets de TMR observée sont de quelques
pourcents à faible champ électrique [50], en accord avec
ce qui est attendu pour un plan de nanoparticules
ferromagnétiques avec un comportement superparamagnétique, ils montent à plus de 400 % à fort
champ. Cela révélé un phénomène nouveau de
renversement des moments magnétiques des clusters en
conditions extrêmes.
(ii) Les travaux théoriques de Dietl et al. (Science 287,
1019, 2000) sur ZnO dopé Co et à la mise en évidence
expérimentale du ferromagnétisme à température
ambiante dans TiO2 dopé Co par Matsumoto et al.
(Science 291, 854, 2001) ont fortement dopé la quête
d’oxydes magnétiques dilués. Malgré cet engouement, les
résultats sont contradictoires dans la littérature et le
ferromagnétisme dans ces systèmes est loin d’être
compris. Quelques points communs peuvent néanmoins
être avancés comme l’aimantation favorisée par la
présence de défauts structuraux et une grande sensibilité à
la présence de lacunes d’oxygène. Dans ce contexte, deux
systèmes ont été étudiés par notre équipe.
Le premier est le ZnO dopé cobalt. Des couches
minces de ZnCoO de très bonne qualité ont été obtenues
par croissance homo-épitaxiale sur des substrats de ZnO
[3,13]. Les études structurales et magnétométriques
(SQUID, résonance paramagnétique électronique) [20]
ont montré que les échantillons de bonne qualité, ayant
une faible densité de défauts structuraux, sont
paramagnétiques.
Le second système étudié est CeO2 (cérine)
dopé cobalt [48]. Les couches minces ont été élaborées
par ablation laser avec différentes concentrations de Co.
Deux types de substrat ont été utilisés : SrTiO3(001) et
silicium oxydé. Les couches sont épitaxies avec une
2) Etude du transport dépendant du spin sur les niveaux
résonants d’un puits quantique.
FIG. 3 (a) Schéma de la croissance des boîtes de MnAs ;
(b) méthode développée par l'Unité Mixte pour contacter
une boîte unique.
L'étude que nous avons réalisée sur la TMR avec une
barrière tunnel semi-conductrice a mis en avant le rôle
important des défauts sur les propriétés de transport.
L’origine de ces défauts est principalement liée à
l'abaissement de la température de croissance requise
pour l’empilement alternant FM et SC. Récemment il a
été qu’il est possible de réaliser ces structures à chaud à
partir d’une couche de GaMnAs qui serait ensuite recuite
à haute température, ce qui entraîne la formation de
clusters de MnAs dans la matrice de GaAs. Nous voulons
adapter cette technique pour réaliser à chaud des
55
compréhension des mécanismes d'interaction et
d'échange dans la filière des DMO. Nous allons
poursuivre les travaux sur ce système (notamment à
travers
des
expériences
spectroscopiques
sur
synchrotron : XMCD, XAS, EXAFS, nous avons déjà un
projet accepté à Soleil sur la ligne Samba) afin de
comprendre l’origine du ferromagnétisme mais
également dans une perspective d’intégration de ce
matériau dans des dispositifs (filtres à spin par exemple).
Nous allons également étendre ce type d’études à
d’autres dopants magnétiques, des résultats préliminaires
ont déjà été obtenus pour CeO2 dopé Ni et Mn.
Enfin, le dispositif MBE assistée par plasma ouvre des
perspectives en ce qui concerne la croissance
d’hétérostructures hybrides et de couches ultraminces :
oxydes/semi-conducteur (III-V et II-VI) et semiconducteur/oxydes, influence de la polarité sur la
formation des interfaces et sur la structure des couches
ultraminces. Un premier travail d'étude de la croissance
de couches minces de GaAs et de ZnSe sur SrTiO3,
incluant une collaboration avec F. Finocchi et K. Kunc
pour la modélisation DFT des premiers stades de
croissance, est déjà en cours. A terme, l’objectif est
d’étudier l’élaboration, la structure et les propriétés de
couches minces et ultraminces d’oxydes dont la structure,
stabilisée par hétéro épitaxie ou du fait de la basse
dimensionnalité, diffère de celle de volume.
excellente qualité structurale (FIG. 4a) sur un monocristal
de SrTiO3, alors que sur le Si oxydé elles sont texturées.
FIG.4 (a) Image TEM à haute résolution de l’interface
CeO2 dopé cobalt/ SrTiO3(001), (b) Cycles d’hystérésis
hors plan (rouge) et dans le plan (noir) d’une couche de
CeO2 dopé cobalt 5% (400 nm) épitaxiée sur
SrTiO3(001).
Les analyses menées par diffraction X et par
microscopie électronique en transmission à haute
résolution indiquent l'absence de phases secondaires
(nanoparticules de Co métallique, par exemple). Les
mesures de magnétométrie montrent que les échantillons
sont ferromagnétiques avec une température de Curie
supérieure à 400 K. Le moment mesuré par atome de Co
pour une croissance sous vide est de 1,4-1,5 μB, peu
sensible à la qualité structurale des échantillons. Les
échantillons élaborés sous atmosphère d'oxygène
présentent une aimantation beaucoup plus faible. En
outre, l’aimantation à saturation par unité de volume est
la même pour des couches de 400 et 30 nm. Ceci montre
que le ferromagnétisme de ce système dépend peu de la
densité de défauts structuraux et n’est pas localisé
uniquement dans une région proche de l’interface avec le
substrat comme c’est le cas pour d’autres oxydes
magnétiques dilués. Enfin, une forte anisotropie
magnétique a été mise en évidence (FIG.4c), avec un axe
facile hors plan dans le cas des couches épitaxiées sur
SrTiO3. Des études préliminaires montrent la présence
d’ions Ce3+ en proportion importante dans les couches
ferromagnétiques, peut-être à cause d’un phénomène de
compensation de charge avec formation de lacunes
d’oxygène. Des études spectroscopiques au synchrotron
sont prévues afin d’explorer l’origine du ferromagnétisme
à l’échelle microscopique.
Pour conclure sur les activités portant sur les couches
minces d’oxyde, nous avons achevé l’installation d’un
bâti d’épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma
d’oxygène dédié à la croissance de couches minces
d’oxydes. Les premières couches de ZnO ont été
produites récemment avec des résultats satisfaisants.
Nous sommes en train de fiabiliser le système de
chauffage d'échantillon qui est un des points sensibles car
il subit un chauffage à 800°C sous atmosphère oxydante.
Elaboration et étude des systèmes de basses dimensions
latérales.
En plus des perspectives déjà présentés qui
s'inscrivent dans la continuité des travaux en cours, une
nouvelle perspective scientifique est à mettre en exergue.
Elle concerne l'élaboration et l'étude des systèmes de
basses dimensions.
1) Les nanofils semiconducteurs d'une part qui
connaissent un grand essor à l’heure actuelle. Différentes
voies de synthèse sont utilisées, en particulier l’épitaxie
par jets moléculaires (EJM). La croissance de nanofils de
semi-conducteurs II-VI a débuté dans différentes équipes
en Europe mais l’expérience accumulée sur ces systèmes
est encore faible. Nous souhaitons dans un projet
commun avec l'équipe de R. Grousson de l'axe I aborder
ce problème complexe avec à terme, une forte interaction
croissance/optique. Une description plus détaillée de ce
projet se trouve dans les perspectives de l'axe I (voir
rapport de l’Equipe Nanostructures et Systèmes
Quantiques). La croissance EJM de ces nanofils se fait
par un mécanisme dit «vapeur-liquide-solide » en
présence d’un catalyseur constitué par des gouttelettes
d’or sur la surface du substrat. Cependant le processus
de croissance est encore loin d’être bien compris. La
dépendance de la structure cristalline avec les
paramètres de croissance (orientation du substrat,
catalyseur, température, etc..) nécessite des études
approfondies. La croissance sera réalisée par EJM avec
les techniques d’étude in-situ (STM, spectroscopie de
photoémission) ou à proximité (TEM, SEM, XRD). Cet
ensemble très riche de techniques d'étude permettra de
bien développer l’élaboration de ces nanostructures.
L’idée sera de privilégier l’utilisation d'autres
catalyseurs que l'or visant à réduire la température de
croissance, plus compatibles avec les composants II-VI.
Egalement, l’insertion de boîtes magnétiques dans les
nanofils semi-conducteurs sera une des voies que nous
souhaitons explorer.
Perspectives : L’étude du magnéto-transport avec des
nanoparticules ferromagnétiques a révélé des
phénomènes originaux tels que la TMR géante et le
renversement des moments magnétiques des particules
avec une tension appliquée. Nous souhaitons comprendre
l'origine de ce phénomène. Il s’agit de comprendre un
éventuel transfert de spins entre les particules et le
courant. Cette thématique est très porteuse comme
l'attestent les nombreuses études sur des systèmes
similaires.
En ce qui concerne les oxydes magnétiques dilués, nous
avons montré que le CeO2 dopé au cobalt est un candidat
de tout premier plan pour les études sur la
56
2)
Propriétés
nanostructurés.
optiques
de
films diélectriques. En particulier on peut imaginer que
les différentes longueurs d’onde de la lumière ne voient
pas la même structure et soient affectées différemment.
Par exemple, les composantes Rouges, Vertes, Bleues de
la lumières pourraient être réfléchies dans des directions
différentes afin de réaliser un système optique sans filtre
coloré. L’étude de films minces obtenus par l’évaporation
de métaux n’a que très peu été faite. Pourtant, dans ce
dernier cas, il est possible d’envisager la réalisation de
métamatériaux, c’est-à-dire de matériaux ayant un indice
de réfraction négatif. En effet, dans ces matériaux
conducteurs, le couplage du plasmon de surface du métal
et de la résonance magnétique dans la structure en forme
de circuit permet d’avoir à la fois une permittivité et une
perméabilité négative. Ces matériaux permettent
d’envisager la réalisation de lentilles convergentes
planes ‘parfaites’, c'est-à-dire sans aberrations avec des
résolutions bien supérieurs à celles existantes à l’heure
actuelle dans les systèmes de lentilles.
matériaux
Gallas Bruno, Rivory Josette, Chenot Stéphane.
Le concept de films minces nanosculptés est né il y a près
de vingt ans profitant de la croissance colonnaire de
certains matériaux en couche mince. Lorsque le flux des
espèces déposées arrive de manière oblique sur le
substrat, l’effet d’ombrage permet de former des
colonnes inclinées par rapport à la normale à
l’échantillon et largement séparées les unes des autres.
La conjonction du dépôt sous incidence oblique et de la
rotation du substrat permet de « sculpter » la
microstructure colonnaire des couches minces dans la
forme désirée allant de chevrons, zig-zags, colonnes
hélicoïdales, nanostructures 3D complexes (Fig.5). Une
telle anisotropie de forme engendre une anisotropie
optique puisque les différents états de polarisation de la
lumière ne voient pas la même structure. Jusqu’à présent
les études ont concerné surtout des films diélectriques ou
semi-conducteurs (Si) avec des structures de type
colonnes inclinées ou zigzag. Cependant il a été prédit
qu’avec des films de structure chirale on pouvait agir sur
les états de polarisation circulaires de la lumière.
Notre objectif sera de réaliser des films minces
nanosculptés par évaporation en incidence oblique sur
des substrats de Si ou SiO2. Les matériaux seront
évaporés à partir d'une cellule équipée d'un canon à
électrons. La structure, la composition et, éventuellement,
la cristallinité des films seront déterminées par MET,
SEM, RBS. Les propriétés optiques de ces films minces
seront ensuite étudiées par ellipsométrie spectroscopique
complétées par des mesures spectrophotométriques de
diffusion de la lumière. L'objectif sera d’établir le lien
entre la structure de l’échantillon et ses propriétés
optiques. On s'attend à que ce type de structures puissent
présenter des effets très originaux liés au confinement
1D. Dans un premier temps, plusieurs structures
diélectriques (TiO2) seront synthétisées : colonnes
inclinées, zigzag, hélicoïdes. Ensuite, des films minces
métalliques chiraux seront réalisés afin d’étudier la
propagation des ondes optiques dans ces matériaux avec
pour objectif d’aller vers les métamatériaux. En
particulier, on pourra essayer de favoriser les effets sur
la perméabilité en déposant des métaux magnétiques.
FIG.5 Image tirée de K. Robbie et al. , Review of
Scientific Instruments, 75, 1089(2004).
Par ailleurs, la variation de l’indice de réfraction avec la
longueur d’onde des matériaux permet d’envisager la
réalisation de nouveaux effets colorés dans le cas des
Publications
[1].
«Surface structures of MnAs grown on GaAs
(111)-B
substrates»;
Ouerghi
A.,
Marangolo M., Eddrief M., Guyard S., Etgens
V. H. and Garreau Y.; Phys. Rev. B ; 68;
115309 ; 2003
[2].
«Effect of a static electric field on the
vibrational and electronic properties of a
compressed CO adlayer on Pt(110) in non
aqueous electrolyte as probed by IRAS and IRvisible SFG «spectroscopy»; Vidal F.,
Busson B., Tadjeddine A., Peremans A.;
Journal of Chemical Physics 119 ; 119 ;
12492 ; 2003
[5].
«Manipulating 2D metal–organic networks via
ligand control»; Lin N., Stepanow S., Vidal F.,
Barth J.V.
and
Kern
K.;
Chemical
Communications ; 1 681; 2005
[6].
«Probing electronic and vibrational properties
at the electrochemical interface using SFG
spectroscopy: methanol electro-oxidation on
Pt(110) »; Vidal F., Busson B., Tadjeddine A.;
Chemical Physics Letters ; 403 ; 324 ; 2005
[7].
«CO site conversion during electro-oxidation
on Pt(100) : a vibrational spectroscopic study»;
Vidal F., Busson B., Tadjeddine A.;
Electrochimica Acta ; 49 ; 3637 ; 2004
[3].
«X-ray standing waves in a heterostructure application to a Zn1-xCoxO epilayer on
ZnO(00.-1)-O substrate»; Zheng Y., Boulliard
J.C., Soyer A., Pétroff J.F.; Acta Cryst.; A60
339-350 ; 2004
[8].
«Fluoride Based Magnetic Heterostructures»;
Mosca D. H., Mattoso N., Schreiner W. H.,
Eddrief M. and Etgens V. H.; Encyclopedia of
Nanoscience and Nanotechnology (ENN) , vol
3 ; 453-468 ; 2004
[4].
«Kinetics of Si capping process of Ge/Si(001)
quantum dots»; Yam V., Le Thanh V.,
Débarre D., Zheng Y., Bouchier D.; Appl. Surf.
Sci.; 224 ; 143-147 ; 2004
[9].
«Chiral phase transition in two-dimensional
supramolecular assemblies of prochiral
molecules»; Vidal F., Delvigne E., Stepanow
S., Lin N., Barth J.V., Kern K.; J. Am. Chem.
Soc.; 127 ; 10101 ; 2005
57
[10].
«Kinetics of Ge growth at low temperature on
Si(001) by ultrahigh vacuum chemical vapor
deposition»; Halbwax M. , Bouchier D.,
Yam V., Débarre D., Nguyen Lam H.,
Zheng Y.,
Rosner P.,
Benamara
M.,
Strunk H. P., Clerc C.; J. Appl. Phys.; 97 ;
064907-1 ; 2005
[23].
«Equations of state of RbxC60 (x=3,4 and 6)»;
Sabouri-Dodaran A. A., Marangolo M.,
Bellin Ch., Mauri F., Fiquet G. and Loupias G.,
Mezouar M., Crichton W., Hérold C.,
Rachdi F., Rabii S.; Phys. Rev. B ; 70 ; 174
114; 2004
[11].
«In situ magneto-optical Kerr effect study of
uncovered Fe films on ZnSe(001) »;
Gastelois P.L., Martins M.D., Andrade L.H.F.,
Etgens V.H., Macedo W.A.A.; J. Mag. and
Magnet. Mat.; 294 ; e105 ; 2005
[24].
[12].
«Magnetic and chemical aspects of Cr-based
films grown on GaAs(001) »; Mosca D. H., de
Camargo P.
C.,
Guimaraes
J.
L.,
Schreiner W. H.,. de Oliveira A. J. A,
Souza P. E. N., Eddrief M., Etgens V. H.;
J. Phys. Condens. Matter ; 17 ; 6805 ; 2005
«Structural and magnetic anisotropies of
Fe/ZnSe(001) thin films»; Marangolo M.,
Gustavsson F., Guichar G.M., Eddrief M.,
Varalda J., Etgens V. H., Rivoire M.,
Gendron F.and Magnan H. ; Phys. Rev. B ; 70 ;
134404 ; 2004
[25].
«Resonant tunneling magnetoresistance in
MnAs/III-V/MnAs junctions»; Garcia V.,
Eddrief M., Marangolo M., Etgens V.H.,
Jaffrès H. and George J.-M.; Phys. Rev. B ;
rapid comm. 72 ; 081303(R) ; 2005
[13].
«Study of ZnO crystals and Zn1-xMxO
(M=Co, Mn) epilayers grown by pulsed laser
deposition on ZnO(00.-1) substrate»; Zheng Y.,
Boulliard J.C., Demaille D., Bernard Y.,
Pétroff J.F.; J.Crystal Growth; 274 ; 156-166 ;
2005
[26].
«Resonant tunnel magnetoresistance in
epitaxial metal-semiconductor»; Varalda J., de
Oliveira A. J. A., Mosca D. H., George J.-M.,
Eddrief M., Marangolo M. and Etgens V. H.;
Phys. Rev. B, rapid comm. 72 ; 081302 (R) ;
2005
[14].
«A versatile X-ray topographic camera with
elastic
translation»;
Honnicke,-M.-G.,
Mazzaro,-I.,
Cusatis,-C.,
Etgens,-V.-H.,
Japanese Journal of Appl. Phys.; 43(8A) ;
5614-16 ; 2005
[27].
«Structure of ferromagnetic CrAs epilayers
grown on GaAs(001) »; Etgens V. H., de
Camargo P. C., Eddrief M., Mattana R.,
George J. M. and Garreau Y.; Phys. Rev. Lett. ;
92 ; 167205 ; 2004
[15].
«An SFG investigation of Au(111) and
Au(210) electrodes in aqueous solutions
containing KCN and cetylpyridinium chloride»;
Bozzini B., Fanigliulo A., Mele C.. Busson B.,
Vidal F., Tadjeddine A.; Journal of
Electroanalytical Chemistry ; 574 ; 85 ; 2004
[28].
«Superconductivity of Bulk CaC6»; Emery N.,
Herold C., d’Astuto M., Garcia V., Bellin Ch.,
Marêché J. F., Lagrange P., Loupias G.; Phys.
Rev. Lett.; 95 ; 087003 ; 2005
[29].
«Methanol Dissociative Adsorption on Pt(100)
as Studied by Nonlinear Vibrational
Spectroscopy»; Vidal F., Busson B., Six C.,
Tadjeddine A., Dreesen L., Humbert C.,
Peremans A., Thiry P.; Journal of
Electroanalytical Chemistry ; 23 ; 2004
«In situ pressure of Rb4C60 insulator to metal
transition by Compton scattering»; SabouriDodaran A. A., CBellin h., Loupias G.,
Marangolo M., Rabii S., Rachdi F.,
Buslaps Th., Mezouar M.; Phys.Review B ; 72 ;
085412 ; 2005
[30].
«Magnetic properties of Fe clustering in GaSe
epilayers in GaAs(111)B»; de Moraes A.R.,
Mosca D.H., Schreiner W.H., Guimaraes J.L.,
de Oliveira A.J.A., de Souza P.E.N.,
Etgens V.H. and Eddrief M.; Journal of
Magnetism and Magnetic Materials ; 272-276 ;
1551 ; 2004.
«Sum-frequency generation from surface
species in porous silicon»; Mattei G.,
Valentini V., Yakovlev V.A., Mani A.A.,
Sartenaer Y., Thiry P.A., Peremans A.,
Caudano Y., Dreesen L., Humbert C.,
Busson B., Vidal F., Tadjeddine A.; Physica
Status Solidi, A 202 ; 1487 ; 2005
[31].
«Sum-frequency generation spectroscopy of
interfaces»; Vidal F., Tadjeddine A .; Reports
on Progress in Physics, 68 ; 1095-1127 ; 2005
[32].
«Croissance épitaxiale de MnAs sur GaAs(111)
et étude des reconstructions de la surface de
MnAs»; Ouerghi A. ; thèse UPMC ; 2004.
[33].
«Etude des systèmes hybrides: de la surface
aux hétérostructures»; Etgens Victor ; HDR ;
2004
[34].
«Magnétorésistance tunnel et couplage
magnétique dans heterostructures epitaxiale»;
Varalda J.; thèse UPMC ; 2004
[35].
«Spectroscopic
Measurement
of
Spindependent Resonant Tunneling through a 3D
Disorder: The Case of MnAs/GaAs/MnAs
Junctions.»; Garcia V., Jaffrès H., George J.M.,
Marangolo M., Eddrief M., Etgens V. H.; Phys.
Rev. Lett.; 97 ; 246802 ; 2006
[36].
«Surface reconstructions of epitaxial MnAs
films grown on GaAs(111)B»; Ouerghi A.,
Marangolo M., Eddrief M., Lipinski B. B.,
Etgens V. H., Lazzeri M., Cruguel H., Sirotti
F., Coati A., Garreau Y.; Phys. Rev. B ; 74 ;
155412 ; 2006
[16].
[17].
[18].
[19].
«Programming supramolecular assembly and
chirality in two-dimensional dicarboxylate
networks on a Cu(100) surface»; Stepanow S.,
Lin N., Vidal F., Landa A., Ruben M.,
Barth J.V., Kern K.; Nano-Letters ; 1 ; 2005
«UHV-CVD growth and annealing of thin fully
relaxed Ge films on (001)S»; Halbwax M.,
Rouviere M., Zheng Y., Debarre D., Nguyen
Lam H., Cercus J-L., Clerc C., Yam V.,
Laval S., Cassan E., Bouchier D.; Optical
Material ; 27 ; 822-826 ; 2005
[20].
«Electron paramagnetic resonance study of
Zn1-xCoxO: a predicted high-temperature
ferromagnetic semiconductor»; Jedrecy N., von
Bardeleben H.J., Zheng Y., Cantin J.L.; Phys.
Rev. B ; 69 R041308-1-R041308-4.; 2004
[21].
«Electronic and magnetic properties of the
Fe/ZnSe interface»; Bertacco R., Portalupi M.,
Brambilla A., Riva M., Cantoni M., Duò L.,
Ciccacci F., Gustavsson F., Etgens V. H.,
Eddrief M., George J.-M and Vavassori P.;
Phys. Rev. B ; 69; 054421 ; 2004
[22].
«Enhancement of critical temperature and
phases coexistence mediated by strain in MnAs
epilayers grown on GaAs (111)B. »;
Mattoso N., Eddrief M., Varalda J., Ouerghi A.,
Demaille D., Etgens V. H. and Garreau Y.;
Phys. Rev. B ; 70 ; 115324 ; 2004
58
[37].
«Magnetization reversal and anomalous
dependence of the coercive field with
temperature in MnAs epilayers grown on
GaAs.»; Steren L. B., Milano J., Garcia V.,
Marangolo M., Eddrief M., Etgens V. H.; Phys.
Rev. B ; 74 ; 144402 ; 2006
[38].
«α-β phase transition in MaAs/GaAS (001) thin
films: An optical spectroscopic investigation.»;
Vidal F., Pluchery O., Witkowski N.,
Garcia V., Marangolo M., Etgens V. H.,
Borensztein Y.; Phys. Rev. B ; 74 ; 115330 ;
2006
[39].
«Interface bonding of a ferromagnetic
/semiconductor junction: A photoemission
study of Fe/ZnSe(001)»; Eddrief M.,
Marangolo M., Etgens V. H., Ustaze S.,
Sirotti F., Mulazzi M., Panaccione G.,
Mosca D. H., Lépine B., Schieffer P.; Phys.
Rev. B ; 73 ; 115315 ; 2006
[40].
«MnAs/GaAs/MnAs : Morphology and
interfacial
properties»;
Garcia
V.,
Marangolo M., Eddrief M., Jaffrès H.,
George J.-M., Etgens V. H.; Phys. Rev. B ; 73 ;
035308 ; 2006
[41].
«Thermal
enhancement
of
the
antiferromagnetic exchange coupling between
Fe epilayers separated by a crystalline ZnSe
spacer»; Varalda J., Milano J., de Oliveira A. J.
A., Kakuno E. M., Mazzaro I., Mosca D. H.,
Steren L. B., Eddrief M., Marangolo M.,
Demaille D., Etgens V. H.; J. Phys.: Condens.
Matter ; 18 ; 9105 ; 2006
[42].
[43].
[44].
[45].
«Iron clustering in GaSe epilayers grown on
GaAs(111)B»; de Moraes A. R., Mosca D. H.,
Mattoso N., Guimarães J. L., Klein J. J.,
Schreiner W. H., de Souza P. E. N., de
Oliveira A. J. A., de Vasconcellos M. A. Z.,
Demaille D., Eddrief M., Etgens V. H.;
J. Phys.: Condens. Matter ; 18 ; 1165 ; 2006
«Growth and magnetic properties of MnAs
epitaxied on GaAs(111)B»; Varalda J., de
Oliveira A. J. A., Ouerghi A., Eddrief M.,
Marangolo M., Demaille D., Etgens V. H.,
Mattoso N.,. Mosca D. H.; J. Appl. Phys.; 100 ;
093524 ; 2006
[46].
«Study of insulator to metal transition in
Rb4C60 by coherent and incoherent X-ray
scattering
under
pressure»;
SabouriDodoran A.A., Bellin Ch., Marangolo M.,
Mauri F., Fiquet G., Loupias G., Mezouar M.,
Buslaps Th., Hérold C., Rachdi F., Rabii S.;
Journal of Physics and Chemistry of solids ;
67 ; 1132 ; 2006
[47].
«Ferromagnetic resonance in the epitaxial
system Fe/MgO/Fe with coupled magnetic
layers»; Popova E., Tiusan C., Schuhl A.,
Gendron F., Lesnik N.A.; Phys. Rev. B ; 74 ;
224415 ; 2006
[48].
«Room temperature ferromagnetism of Codoped CeO2-δ diluted magnetic oxide: effect of
oxygen and anisotropy»; Vodungbo B.,
Zheng Y., Vidal F., Demaille D., Etgens V. H.,
Mosca D. H.; Appl. Phys. Lett.; 90 ;
062510 ; 2007
[49].
«Magnetism and tunnelling magnetoresistance
of Fe nanoparticles embedded in ZnSe
epilayers»; Varalda J., Ribeiro G. A. P.,
Eddrief M., Marangolo M., George J. M.,
Etgens V. H., Mosca D. H., de
Oliveira A. J. A.; J. Phys. D: Appl. Phys. ; 40 ;
2421 ; 2007
[50].
«Tunnel magnetoresistance and Coulomb
blockade in a planar assembly of cobalt
nanoclusters embedded in TiO2»; Varalda J.,
de Oliveira A. J. A.,
Ortiz W. A.,
Vodungbo B., Zheng Y.-L., Demaille D.,
Marangolo M., Mosca D. H.; J. Appl. Phys.;
101 ; 014318 ; 2007
[51].
«Planar assembly of monodisperse metallic
cobalt nanoparticles embedded in TiO2−δ
matrix»; Vodungbo B., Zheng Y., Marangolo
Varalda J.; J. Phys.:
M., Demaille D.,
Condens. Matter ; 19 ; 116205 ; 2007
Livres (ou chapitres des livres)
[L1] Tadjeddine A., Vidal F. «In situ spectroscopic
studies of adsorption at the electrode and
electrocatalysis.», Chap. 9, 2007, Elsevier.
[L2] Mosca D. H., Mattoso N., Schreiner W. H., Eddrief
M., Etgens V. H. «Fluoride Based Magnetic
Heterostructures.» Encyclopedia of Nanoscience and
Nanotechnology (ENN) vol 3: 453-468 (2004), American
Scientific Publishers.
«Highly oriented star-like patterns observed on
GaSe epilayers grown on Si(111)»; Jurca H.F.,
Mazzaro I., Schreiner W.H., Mosca D.H.,
Eddrief M. and Etgens V.H.; Thin Solid Films ;
515 ; 1470 ; 2006
•
«Ferromagnetic-semiconductor
hybrid
structures prepared by Molecular Beam
Epitaxy»; Etgens V. H. ; International
Workshop on Spintronic and Nanomagnetism ;
Brasil ; 2004
•
«Fe/ZnSe between hope and reality» ;
Marangolo M. ; International Workshop on
Spintronic and Nanomagnetism ; Brasil ; 2004
«Influence of CH4 partial pressure on the
microstructure of sputter-deposited tungsten
carbide thin films»; Abdelouahdi K., Sant C.,
Miserque F., Aubert P., Zheng Y., LegrandBuscema C., Perrière J.; J. Phys. Condens.
Matter ; 18 ; 1913 ; 2006
59
•
•
•
•
«Etude
des
systèmes
hybrides
pour
l’électronique de spin par deux exemples : le
CrAs et le Fe/ZnSe»; Etgens V. H. ; Workshop
Magnétisme et nanostructures LLB-SOLEIL ;
2005
«MBE Growth of MnAs/GaAs/MnAs and
Study of Spin Polarized Transport STM, TEM
measurements»; Etgens V.H. ; Handai
Nanoscience and Nanotechnology International
Symposium ; Japon ; 2006
« Etude des systèmes hybrides : de la surface
aux hétérostructures », Etgens Victor, HDRUPMC, 2004.
•
Accord ECOS-Sud avec l'Argentine (CNEA
Bariloche,) 2006- 2008.
•
Accord CAPES-COFECUB avec le Brésil
(UFPR et UFSCar) 2007-2010.
«Spin-polarized
resonance
effects
in
metal/semiconductor
tunnel
junctions»;
Etgens V. H., Garcia V., Marangolo M. and
George J. M.; 13th International Conference on
Solid Films and Surfaces ; Argentine ;
Novembre 2006
Autres
Contrats publics
•
ACI « DECORESS (Développement concerté
de recherche pour une électronique de spin
avec semi-conducteurs) » (30/10/200229/10/2005).
•
ANR PNANO 2005 « MOMES ( Manipulation
Optique, Magnétique et Elecronique de Spin )»,
V. Etgens (Coordinateur : J.-M. Georges)
•
Crédits de réinstallation 2005 « Elaboration
(EJM) : STM/AFM + effet Kerr ».
•
Financement c-nano Ille de France 2007
«TRIPEPS (Tunnel Résonant et Injection
Electrique de Porteurs Polarisés en Spin dans
les Semi-conducteurs III-V)».
Thèses et HDR
•
« Croissance épitaxiale de MnAs sur
GaAs(111) et étude des reconstructions de la
surface de MnAs », Ouerghi Abdelkarim, thèse
UPMC, 2004.
•
« Étude de la croissance et les propriétés
structurales, chimiques et magnetiques de
structures
hybrides
GaSe-Fe,
ZnSe-Fe
granulaires et MnAs/GaAs(111) vicinal », de
Moraes Adriano, thèse co-tutelle UPMC, 2006.
•
« Structures hybrides MnAs/GaAs : de la
croissance aux propriétés de transport tunnel
polarisé en spin », Garcia Vincent, thèse
UPMC, 2006.
•
« Propriétés magnétiques et modélisation
numérique de systèmes hybrides granulaires et
modélisation de la structure de la surface des
couches minces de MnAs(00.1) », Lipinski
Beatriz, thèse co-tutelle UPMC, 2007.
•
«Magnétorésistance tunnel résonante et
couplage magnétique dans des structures
épitaxiales avec semi-conducteurs », Varalda
José, thèse co-tutelle UPMC, 2003.
• Franck Vidal, membre du comité d’organisation
de ECOSS 24 (European Conference on
Surface Science, Paris, 04-08 septembre 2006)
Vulgarisation
•
Participation à la fête de la science (B.
Vodungbo, D. Demaille, Y. Zheng, V. Etgens,
F. Vidal)
60
Equipe II.2 - Physico-chimie des surfaces fonctionnelles (B. Croset)
Permanents : Borensztein Yves, DR2 ; Croset Bernard, DR2 ; Fauré Marie-Claude, MC ; Goldmann Michel, PU2 ; Lacaze
Emmanuelle, CR1 ; Pluchery Olivier, MC ; Prévot Geoffroy, CR1 ; Witkowski Nadine, MC.
Non permanents : Attia Judith, doctorante ; Bardin Lisa, doctorante (thèse Soleil) ; Bussetti Gianlorenzo, postdoc ; Coustel
Romain, doctorant ; Farha Rana, doctorante ; Fontaine Philippe, CR1, visiteur ; Guesmi Hazar, ATER ; Rémita Samy, MC,
visiteur ; Rodriguez Raul, doctorant ; Sellame Houda, doctorante.
profondeur). Dans l'espace réciproque, la position des
pics de diffraction par rapport aux taches de Bragg est
alors donnée par la partie réelle de ce vecteur d'onde et
leur largeur par la partie imaginaire. L'intensité de ces
pics donne accès aux amplitudes des modes. L'analyse
permet alors de déterminer directement la valeur des
distributions de forces élastiques équivalentes aux défauts
étudiés (parois de domaine pour les systèmes autoorganisés et marches pour les surfaces vicinales). Comme
les mesures de diffraction sont sensibles uniquement aux
premières harmoniques de la distribution de forces, il est
nécessaire de bien connaître théoriquement la nature de
cette distribution. Dans le cas des systèmes autoorganisés, il est bien établi que les parois de domaine sont
équivalentes à des lignes de forces de valeur donnée par
la différence de contraintes. Dans le cas des surfaces
vicinales, en comparant des simulations atomistiques
avec des calculs d'élasticité linéaire anisotrope, nous
avons établi que la distribution de forces équivalente à
une marche était une ligne de dipôles enterrés.
En utilisant ces différentes distributions, nous avons pu
parfaitement reproduire les mesures de diffraction et ainsi
mesurer non seulement les déplacements élastiques mais
également les forces élastiques à leur origine : valeur de
la différence de contrainte de surface dans le cas des
systèmes auto-organisés et valeur du dipôle de forces
pour les surfaces vicinales. Nous avons ensuite déterminé
par élasticité linéaire anisotrope l'énergie d'interaction
entre défauts, et comparé les valeurs obtenues à l'énergie
d'interaction dérivée de la mesure des fluctuations
thermodynamiques du système et aux valeurs des autres
énergies
d'interaction
possibles
(électrostatique,
électronique, etc.) mesurées ou calculées.
Pour les systèmes auto-organisés étudiés, O/Cu(110) et
N/Cu(001), les résultats de diffraction montrent que la
différence de contraintes de surface entre deux phases ne
dépend pas de leur taux de couverture. Cette hypothèse
du modèle de Marchenko, qui avait pourtant été
récemment remise en cause par des mesures de courbure
macroscopique d'échantillon mince faites par le groupe
de Sander, est donc parfaitement valable. Cette différence
est cinq fois plus forte pour l'adsorption d'azote que pour
celle d'oxygène. La comparaison avec les interactions
électrostatiques montre que celles-ci sont toujours
beaucoup plus faibles que les interactions élastiques. Par
contre ces dernières ne suffisent pas toujours pour
expliquer toute la thermodynamique de l'autoorganisation pour les systèmes étudiés. Nous avons
également approfondi notre étude théorique afin de
comprendre et quantifier les effets d'anisotropie élastique
dans ces systèmes. Ceux-ci interviennent principalement
dans les systèmes bidimensionnels quadratiques, comme
N/Cu(001), pour lesquels une faible anisotropie des
propriétés élastiques ou de l'énergie de lisière conduit à
une brisure spontanée de symétrie (les domaines
s'ordonnent en lignes). Toutefois, pour le cas de
N/Cu(001), l’évolution observée ne peut être décrite par
les seuls effets élastiques et des termes énergétiques nonlinéaires, probablement de type Frenkel-Kontorova,
Présentation générale.
L’équipe
« Physico-chimie
des
surfaces
fonctionnelles » est issue de l’union de trois groupes
provenant pour l’essentiel du GPS, du LOS et de
l’université René Descartes - Paris 5. Chacun de ces
groupes possédait des thématiques et des savoir-faire
différents mais la volonté de maîtriser la croissance et
l’organisation d’objets nanoscopiques pour utiliser leurs
propriétés à l’interface de la physique et de la chimie était
un élément fortement fédérateur. De nombreuses
synergies se sont montrées fructueuses. La diffraction et
la diffusion des rayons x en incidence rasante est une
technique partagée par de nombreux membres du groupe.
L’intérêt pour les propriétés catalytiques des agrégats est
partagé par les surfacistes de l’ex-GPS et les opticiens de
l’ex-LOS ; il mobilise ou mobilisera de nombreux savoirfaire : gabarits auto-organisés, réactivité résolue en
temps, réflectivité UV-visible, génération de fréquence
somme, STM. Les études des résonances plasmons ont pu
être appliquées à des objets obtenus par des méthodes de
physique molle ou de chimie en solution.
Malgré une répartition géographique sur le site
très handicapante, ces synergies se sont traduites par des
expériences communes, des cotutelles de thèse et des
financements obtenus en commun.
1) Elasticité de surface.
Croset Bernard, Guesmi Hazar, Prévot Geoffroy
Références : [10], [13], [18], [34], [37], [43], [45], [47]
Obtenir des collections d'objets identiques, de taille
nanométrique sur des surfaces de taille centimétrique est
un des enjeux actuels des nanosciences. Outre leur
application technologique possible, de tels systèmes sont
des objets d'étude privilégiés car ils permettent d'utiliser
des sondes macroscopiques pour obtenir des informations
précises sur un objet de taille nanométrique. Parmi les
possibilités pour obtenir de tels systèmes, une voie
consiste à utiliser, comme gabarit pour la croissance, des
surfaces cristallines présentant spontanément un ordre
régulier à l'équilibre thermodynamique, comme les
surfaces auto-organisées ou les surfaces vicinales. Cellesci s'ordonnent en présence d'interactions multiples dont
certaines sont à longue portée, comme les interactions
élastiques.
Un des résultats marquants de nos travaux, effectués en
collaboration avec différentes équipes de physiciens des
surfaces (LURE-Soleil, ESRF, SPCSI, MPQ), a été de
montrer que les interactions élastiques de systèmes
ordonnés pouvaient être mesurées par diffraction de
rayons X sous incidence rasante. Notre démarche a été la
suivante. L'analyse des intensités diffractées par ces
systèmes montre la présence de pics de diffraction
supplémentaires associés aux relaxations élastiques. Pour
comprendre leurs caractéristiques, nous avons effectué
une analyse harmonique des déplacements élastiques. Les
modes obtenus sont caractérisés par un vecteur d'onde
possédant une partie imaginaire non nulle (atténuation en
61
croissance d’agrégats bicouche d’Au sur la surface
N/Cu(001) auto-organisée en pavage carré de période 5
nm. Nous avons pu ainsi déterminer une plage de
température de dépôt, 210K-290K, pour laquelle l’on
obtient une distribution optimale des agrégats d’Au. Un
modèle analytique et une simulation Monte-Carlo nous
ont permis de déterminer la profondeur des pièges de
nucléation, 0.2 eV, et la barrière de diffusion de l’Au,
0.41 eV. Parallèlement, en collaboration avec Didier
Schmaus de l’équipe « couches nanométriques,
interfaces, défauts », nous étudions la croissance et
l’oxydation de films minces d’Al-Ni sur Ni(111).
L’oxydation de ces films permet d’obtenir des couches
ultra-minces cristallines d’alumine présentant une
structure de grande maille (2.1nm x2.1nm) utilisable
comme gabarit nanostructuré pour la croissance
d’agrégats d’Au. Les études par SPA-LEED ont permis
de préciser les structures des films minces d’alliage Ni3Al
et NiAl obtenus. Enfin, grâce à l’obtention d’une ACI et
d’un BQR de l’UPMC, nous avons pu développer notre
chambre UHV et tout particulièrement construire une
chambre de réactivité qui permettra l’étude de la
réactivité des collections d’agrégats obtenus avec une
résolution en temps de quelques dizaines de
millisecondes.
Deux méthodes optiques permettent des études sous
pression : la réflectivité différentielle UV-visible et la
génération de fréquence somme. Par réflectivité
différentielle, nous avons étudié des échantillons pastillés
de poudre de TiO2 supportant des agrégats d’Au obtenus
par méthode chimique. Grâce à une cellule spécialement
conçue, nous avons montré que les spectres de réflectivité
obtenus étaient, de façon réversible, modifiés par
l’introduction de CO et d’un mélange réactif CO + O2.
L’interprétation de la forme des spectres est en cours
mais cette sensibilité laisse entrevoir des études de
réactivité d’une grande souplesse. Les expériences de
génération de fréquence somme ont lieu au LCP-Clio.
Nos efforts ont porté dans un premier temps sur la
préparation de couches optiquement planes comportant
des nanoagrégats d’Au. Nous avons pu ainsi observer la
résonance de plasmons associée aux agrégats. En
revanche, en particulier à cause d’une panne du
spectromètre, nous n’avons pas été à même d’observer le
signal infra-rouge associé à l’adsorption de CO. Nos
efforts portent actuellement sur l’obtention de couches
minces comportant des agrégats d’Au mieux contrôlées.
Perspectives : La chambre de réactivité résolue en
temps devrait être achevée au cours de l’automne 2007.
L’obtention d’agrégats d’Au bien contrôlés sur
N/Cu(100) puis sur des films d’alumine sur Ni(111) nous
permettront d’étudier le rôle des effets géométriques sur
l’adsorption de CO et sur les propriétés catalytiques visà-vis de la réaction CO+1/2O2→CO2.
Tant par Réflectivité différentielle UV-visible que par
Génération de fréquence somme, nous continuerons nos
études sous gaz réactif en vue de comble le « gap » de
pression.
L’obtention récente d’un PPF, d’une aide C’Nano IdF
et d’un BQR UPMC va nous permettre d’acquérir un
STM fonctionnant sous pression de gaz réactif. Dans un
premier temps, nous privilégierons l’étude des
mécanismes qui, lors des préparations chimiques des
agrégats d’Au, permettent de passer des précurseurs AuIII
à des agrégats d’Au réactifs. Dans un second, nous nous
intéresserons aux modifications morphologiques et
électroniques des agrégats sous CO, O2 ou mélange des
deux.
conduisent à une modification complète de l'évolution de
la morphologie des domaines avec le taux de couverture.
Nous avons étudié par diffraction différentes surfaces
vicinales de métaux de transition (Cu, Pt, Au) de type
(111) et comparé les résultats expérimentaux avec des
simulations numériques des déplacements élastiques, en
utilisant un potentiel semi-empirique dérivé des liaisons
fortes pour décrire les interactions entre atomes. Les
résultats tant expérimentaux que théoriques montrent que
les déplacements élastiques sont plus importants pour les
surfaces vicinales d'Au et Pt que pour les surfaces de Cu.
L'énergie d'interaction entre marches est alors d'un ordre
de grandeur plus forte pour Au et Pt que pour Cu. Une
analyse précise montre que ces interactions plus fortes
proviennent des contraintes de surface, également plus
grandes pour Au(111) et Pt(111) que pour Cu(111). Ce
comportement peut être mis en relation avec la portée des
interactions attractives entre atomes via les électrons de la
bande de valence.
Dans tous les cas, nos travaux ont montré que les
interactions élastiques sont plus fortes que les interactions
électrostatiques. Les calculs théoriques d'élasticité
linéaire anisotrope ont mis en évidence la très grande
influence de l'orientation des dipôles élastiques
équivalents aux marches sur la valeur de ces interactions.
Perspectives : la perspective principale est d'utiliser
ces systèmes pour la croissance de nanoparticules. Elle
nous a conduit à orienter nos recherches vers le contrôle
d’agrégats d’or réactifs. Ce travail en cours est décrit
dans le prochain paragraphe. Par ailleurs, notre bonne
compréhension du rôle de l’élasticité dans l’autoorganisation des surfaces, ouvre la perspective de
pouvoir modifier les caractéristiques de systèmes autoorganisés en modifiant les propriétés de volume. Ce sera
le principe d'une étude de l'adsorption d'azote sur un
alliage Cu3Pd, pour lequel la surface est pur cuivre,
alors que le volume est allié. Enfin, nous souhaitons
étendre notre savoir-faire acquis sur des surfaces
vicinales de métaux de transition à des surfaces vicinales
de semi-conducteurs. Grâce à leurs qualités et à leur
intérêt technologique, celles-ci donnent lieu à
d’importants travaux tant théoriques qu’expérimentaux.
Nous avons entrepris une collaboration avec le CRMCN
et l’équipe de Soleil pour étudier à l’ESRF les
déplacements et les interactions élastiques pour des
surfaces vicinales de Si.
2) Agrégats réactifs.
Borensztein Yves, Croset Bernard, Guesmi Hazar,
Pluchery Olivier, Prévot Geoffroy, Witkowski Nadine
Références : [44]
Notre projet d’étudier les agrégats réactifs est fondé sur
deux savoir-faire complémentaires : la maîtrise des
caractéristiques géométriques des agrégats grâce à
l’utilisation de gabarits nanostructurés, l’aptitude des
méthodes optiques à des mesures sous pression. Parmi de
nombreuses collaborations, celle avec Catherine Louis et
Claire-Marie Pradier du laboratoire de Réactivité des
surfaces joue un rôle privilégié.
Les gabarits nanostructurés permettent d’espérer des
distributions étroites de la taille des agrégats obtenus par
vapodéposition : la distribution régulière des centres de
nucléation conduit à des zones de captures identiques
pour chaque centre dans la phase de croissance. Par
diffraction d’électrons lents à profil de tache (SPALEED) et STM, nous avons mené une étude de la
62
3) Adsorption moléculaire sur silicium.
Borensztein Yves, Coustel Romain, Pluchery Olivier,
Witkowski Nadine, Bussetti Gianlorenzo
Références : [3], [5], [6], [11], [22], [23], [26], [27],
[29], [31], [40], [41], [C1], [C2]
Les surfaces hybrides molécules/semiconducteurs
constituent un terrain de recherche riche car il offre des
défis à la croisée de la physique des surfaces, de la chimie
et de la biologie, avec des perspectives d’applications
technologiques nombreuses. L’enjeu est de taille car il
s’agit d’organiser sur le substrat technologique par
excellence, le silicium, des monocouches moléculaires
fonctionnelles en épitaxie sur le substrat. Les couches
sont dites fonctionnelles dans la mesure où elles
présentent des propriétés de surface homogènes
spécifiques, telles que des conductivités électrique et
optique anisotropes, une rectification électronique, de la
fluorescence. Bien évidemment c’est l’homogénéité des
couches moléculaires formées qui assure une uniformité
et une reproductibilité de ces propriétés. Jusqu’à présent
nos efforts ont surtout porté sur la compréhension et la
maîtrise de la réactivité de plusieurs types de surfaces de
silicium vis-à-vis d’adsorbats moléculaires. Nous
cherchons à mettre en évidence des structures qui s’autoassemblent sur le silicium et à en analyser les propriétés
structurales, électroniques et optiques
Pour mener à bien ces études nous travaillons
essentiellement sous UHV (vide de base de 4x10-11 torr)
et nous utilisons deux techniques optiques qui présentent
une sensibilité meilleure que la monocouche. Il s’agit des
spectroscopies de réflectivité différentielle de surface
(SRDS) et de réflectivité anisotrope (RAS). Par ailleurs
notre système UHV comprend également un STM-AFM
et d’autres techniques usuelles d’étude des surfaces :
LEED-Auger, spectromètre de masse, spectromètre
FTIR. Plusieurs de nos études ont bénéficié de runs sur
les synchrotrons européens : Max-Lab (Suède), Elettra
(Italie).
Nous avons poursuivi notre travail sur la signature
optique de la surface Si(100)-2x1 qui présente une
organisation sous forme de lignes de dimères, et ses
modifications lors de l'adsorption de différents atomes ou
molécules. A travers l’adsorption d’hydrogène atomique
et la comparaison avec d'autres molécules, nous avons
étudié les deux scénarios possibles : cassure ou non des
dimères de silicium. Ces phénomènes ont été analysés en
détail par SRDS, ce qui nous a permis de suivre la
cinétique respective des deux processus (voir encadré).
Nos études des tout premiers stades de l’adsorption de
dioxygène sur cette même surface ont progressé grâce à
une collaboration avec une équipe de théoriciens
(Université de Tor Vergata, Rome). Par des calculs abinitio, il a été possible de reproduire l’évolution des
spectres de RAS et de SDRS au fur et à mesure de
l’adsorption d’O2 et d’accéder ainsi aux détails des
mécanismes d’adsorption à l'échelle atomique et à leurs
cinétiques.
Nous nous intéressons également à des molécules plus
volumineuses telles que l’éthylène afin de trancher quant
à ses géométries d’adsorption. En confrontant des
mesures optiques, avec des calculs ab-initio
(collaboration avec l’Université de Tor-Vergata, Rome)
on montre que l’éthylène s’adsorbe essentiellement en
géométrie dimérisée c’est-à-dire en alignant la liaison CC avec le dimère du silicium, et atteint un taux de
recouvrement égal à une molécule par dimère. Cette
Spectres de SRDS obtenus après adsorption complète d'H
sur Si(100)2x1. (a): à 600K, les dimères restent intacts. (b) :
à 300 K: les dimères sont cassés. (c): calculs DFT (R. Del
Sole et al) correspondant au cas (c). (d): contribution de la
cassure des dimères au signal SRDS.
Ces spectres optiques sont les "signatures" de la cassure on
non des dimères et sont observés pour l'adsorption de
diverses molécules, permettant de déterminer les modes
d'adsorption
géométrie d'adsorption est également mise en évidence
par NEXAFS (Max-Lab, Suède).
Par ailleurs, il y a un fort intérêt à adsorber des
molécules aromatiques sur le silicium car elles présentent
des absorptions optiques dans le proche UV et font partie
des briques élémentaires de l’électronique moléculaire.
Dans ce cadre, nous avons étudié le benzène, et
l’utilisation conjointe de nos spectroscopies optiques, de
la microscopie STM et du NEXAFS a permis de conclure
à une configuration unique du benzène (configuration
butterfly) sur Si(100)-2x1, contrairement à l’avis d’autres
auteurs, et de déterminer quantitativement le taux de
saturation. Enfin, nous avons également montré que la
molécule de phénylacétylène, s’adsorbe suivant deux
configurations dont nous avons déterminé les proportions
respectives par microscopie STM (voir encadré). La
cinétique d’adsorption a été ensuite reproduite par un
modèle Monte-Carlo corroboré par les mesures optiques
de SRDS.
L
S
Image STM à température ambiante de 0,08 L de
phénylacétylène adsorbé sur Si(100)-2x1. On distingue les
deux géométries d’adsorption.
Perspectives : Elles s'inscrivent dans le prolongement de
l'étude des adsorptions moléculaires sur silicium, et nous
avons récemment développé une enceinte d'évaporation
de matériaux organiques aujourd'hui opérationnelle et
connectée à notre ensemble ultra-haut vide. Notre but est
d'élaborer des films et nanocristaux auto-organisés de
molécules organiques présentant des propriétés
électroniques et/ou optiques spécifiques, contrôlables ou
modifiables grâce à leur organisation. Pour favoriser
63
d'autres équipe par diffraction de rayons X en
rayonnement synchrotron (voir encadré).
Nous avons enfin démarré une collaboration avec
l'équipe d'Y. Garreau (SOLEIL) sur la réponse optique
anisotrope de surfaces métalliques vicinales de cuivre et
d'argent. Nous avons en particulier montré des
changements importants des spectres de RAS lors de la
croissance en épitaxie "magique" d'Ag(133) sur Cu(211)
qui sont en cours d'interprétation.
l'auto-assemblage des molécules, la surface utilisée sera
la surface Si(100)2x1 préparée sous UHV, qui pourra
être passivée par l'hydrogène. Les molécules seront
choisies pour leur capacité à s'auto-organiser et leurs
propriétés optiques spécifiques (absorption et
luminescence). Nous commencerons par PTCDA, dont il
a été prouvé que leurs propriétés optiques changent
quand elles s'organisent, et par le parasexiphényl (P6P)
qui présente une forte luminescence. Une collaboration
est prévue avec des chimistes de l'UPMC pour l'étude de
certaines phtalocyanines. Nous étudierons par la suite la
série d'oligothiophènes, dont les propriétés optoélectroniques dépendent de la longueur. Le but en
utilisant ces différentes molécules, bien contrôlées par
STM, est de pouvoir ajuster les propriétés électroniques
et optiques lorsqu'elles sont déposées sur le silicium, qui
seront étudiés par nos spectroscopies optiques in-situ. La
nanostructuration de la surface peut ainsi conduire à des
effets anisotropes (états électroniques, conduction
électrique, dichroïsme). Outre les surfaces de Si(100)
passivées, on pourra aussi travailler sur des surfaces
partiellement passivées ou dépassivées ; on pourra enfin
utiliser d'autres passivants, tels que le cyclohexène, ce
qui aura pour effet d'éloigner les molécules du substrat
de silicium et probablement un effet important sur la
luminescence des couches organiques. Nous démarrons
aussi l'étude de la formation de couches moléculaires
chirales sur différents substrats. Nos spectroscopies
optiques de surfaces ont été modifiées pour les rendre
capables de détecter les anisotropies circulaires
et mesurer des dichroïsmes circulaires de surface. Nous
démarrons par l'étude de la L- et D-phénylalanine, et de
nombreuses perspectives sont ouvertes.
Par ailleurs, en parallèle aux études d'adsorption sous
vide, nous avons commencé à explorer la voie du
greffage contrôlé de nos molécules organiques par voie
aqueuse en nous appuyant sur des caractérisations des
monocouches formées par spectroscopie FTIR. Enfin, le
STM environnemental mentionné dans le paragraphe
"agrégats réactifs" sera aussi utilisé pour cette
thématique, en collaboration avec l'équipe de F. Rochet
(LCP-MR, UPMC).
4) Propriétés optiques de diverses nanostructures métalliques (collaborations).
Spectres de réflectivité anisotrope d’une couche de MnAs en
fonction de la température, passant de la phase α à 18°C à la
phase β à 50°C. L’évolution en fonction de la température de
la structure à 2.9 eV, présentée dans l’encart, montre la
transition de phase qui ne présente pas d'hystérèse.
5) Molécules organiques sur substrat cristallin.
Goldmann Michel, Lacaze Emmanuelle, Sellame Houda
Références : [7], [9], [17], [32], [33], [42], [48]
Le travail de ces quatre dernières années a été centré
sur trois thématiques scientifiques abordées à partir d’un
même système expérimental : les films cristal liquide de
8CB déposés sur substrat cristallin de MoS2. Le fait de
disposer d’une interface cristal liquide/substrat quasiment
parfaitement ordonnée s’est avéré particulièrement
précieux pour mettre en évidence de nouveaux
phénomènes, de type confinement, jusqu’alors
inaccessibles dans les systèmes cristal liquide
conventionnels. Par ailleurs, cela a permis de créer au
sein d’une phase cristal liquide, de nouveaux types de
« patterns », en particulier susceptibles de servir de
matrice pour une organisation ultérieure d’autres
matériaux.
PHYSISORPTION DE MOLECULES ORGANIQUES :
Borensztein Yves, Pluchery Olivier, Witkowski Nadine
Références : [8], [35], [39], [C3]
Les outils de spectroscopie optiques à notre
disposition et nos connaissances en propriétés optiques
des surfaces et des nanostructures nous ont ouvert des
collaborations (internes ou externes à l'INSP) sur
différents sujets qui ne forment pas l'activité principale de
notre groupe mais ont apporté des informations
intéressantes sur les objets étudiés.
Nous avons terminé une étude faite en collaboration
avec l'équipe de Sylvie Rousset (MPQ, Paris VII) sur la
formation d'agrégats de Co formés de façon ordonnée sur
la surface vicinale Au(788). Les nanoparticules de Co
présentent une forme asymétrique (légèrement allongée)
qui leur confère une réponse optique anisotrope. Les
spectres obtenus par RAS ont été bien reproduits par la
prise en compte de résonances de plasmon dans les
particules, et nous avons pu suivre en temps réels les trois
étapes de formation: nucléation, croissance, coalescence.
En collaboration interne avec l'équipe de Victor
Etgens, nous avons étudié par RAS la transition de phase
réversible (α↔β) de MnAs en couche mince et obtenu
des résultats en bon accord avec des études faites par
En
combinant
microscopie
à
effet tunnel (STM)
et diffraction des
rayons X, nous
avons déterminé la
structure de la
monocouche
adsorbée de 8CB
sur MoS2.
Nous avons alors développé un modèle
phénoménologique qui nous a permis d’estimer les
corrugations du potentiel d’interaction molécule-substrat
dont la grande valeur est à relier au fort dipôle des
molécules.
64
ANCRAGE CRISTAL LIQUIDE:
La détermination de la monocouche adsorbée sous le
volume cristal liquide permet de sonder le lien entre
orientation des dipôles moléculaires adsorbés et ancrage
macroscopique du cristal liquide, dans une situation où
tout rôle de la rugosité est éliminé et au-delà de la seule
situation actuellement comprise sans ambiguïté : le cas où
tous les dipôles sont parallèles entre eux à l’interface, ce
qui oriente dans la même direction le directeur du volume
cristal liquide (orientation moyenne des molécules en
phase smectique et nématique). Nous avons montré que
l’interface 8CB/MoS2 est caractérisée par deux axes
faciles planaires (parallèles à l’interface) associés à deux
groupements dipolaires. En phase smectique comme en
phase nématique, ces deux axes faciles induisent une bistabilité d’ancrage suivant l’un ou l’autre de ces axes, en
rupture avec les modèles phénoménologiques actuels. Par
ailleurs, nous avons montré que, par opposition aux
ancrages homéotropes (molécules perpendiculaires à
l’interface) qui induisent un mouillage smectique à
l’interface, en ancrage planaire sur MoS2, les couches
smectiques fondent à l’interface. La question qui se pose
maintenant est de savoir si cette fusion de surface est
généralisable aux ancrages planaires et tiltés sur les autres
substrats.
DEFAUTS SMECTIQUES :
niveau moléculaire »/ «ancrage cristal liquide » pour
l’appliquer à d’autres systèmes, en démarrant par des
molécules bi-axes d’intérêt technologique (collaboration
avec l’Allemagne). En parallèle, nous étendons l’analyse
aux molécules de la même série (collaboration avec
l’Italie) pour étudier comment on passe d’un ancrage
mono-stable à un ancrage bistable, ce qui, en dehors de
l’intérêt technologique du résultat, permettra de mettre
en place des modèles pour décrire l’ancrage en présence
de plusieurs axes faciles.
DEFAUTS SMECTIQUES : nous étendons notre savoir-faire
sur la compréhension des déformations en ancrage
hybride à des systèmes cristal liquide différents, des
cholestériques en particulier (collaboration avec la
Hollande) pour interpréter les dynamiques observées
sous rayonnement. En collaboration avec l’Italie, nous
évoluons vers d’autres systèmes hybrides smectiques, sur
mica en particulier, pour étudier le caractère générique
des réseaux et des défauts observés mais aussi, à terme,
pour étudier en machine de force des films smectiques
hybrides ultra-minces et, entre autres, étudier la
généralité de la fusion à l’interface en ancrage planaire.
Nous évoluons enfin vers les systèmes mixtes cristal
liquide / nano-particules métalliques pour utiliser la
matrice cristal liquide comme modulateur des propriétés
plasmon des particules, par exemple en variant la
polarisation de la lumière incidente. Il s’agit de
particules d’or et d’argent en matrice cholestérique et en
matrice smectique (avec le système 8CB/MoS2).
La maîtrise, jusqu’à l’échelle moléculaire, des deux
interfaces limitant un film déposé sur MoS2 nous a
permis de mettre en évidence des structures inédites dans
un film smectique, a priori très sensible aux
imperfections des surfaces. Nous avons montré qu’en
ancrage hybride (planaire sur le substrat, homéotrope à
l’air), des réseaux d’hémicylindres aplatis de période
autour du micron, se mettent en place, illustrés sur la
figure ci-jointe (a) où seules les couches smectiques sont
schématisées. En dehors de leur intérêt en tant que
matrice pour une organisation d’autres matériaux, ces
structures nous ont permis de diminuer l’épaisseur des
films en conservant le contrôle de la géométrie des
déformations pour finalement déterminer, pour la
première fois directement, la structure de cœur de défauts
smectiques, des disinclinaisons. Du fait de la grande taille
du cœur mis en évidence (110 à 140nm d’extension
spatiale, figure (b)), l’énergie de cœur par unité de ligne
apparaît supérieure d’un ordre de grandeur aux valeurs de
la littérature et la question de la généralisation de ce
résultat aux coniques focales (défauts classiques des
phases smectiques) est posée.
6) Nano-structures organo-métalliques.
Attia Judith, Bardin Lisa, Borensztein Yves, Farha Rana,
Fauré Marie-Claude, Fontaine Philippe, Goldmann
Michel, Lacaze Emmanuelle, Rémita Samy
Références : [4], [16], [21], [30], [49], [50]
Nous développons une méthode combinant les
propriétés d’auto-assemblage des molécules organiques
en solution avec la croissance contrôlée de films
inorganiques pour réaliser des nano-objets aux propriétés
ajustables. L’assemblage organique constitue un
« moule » à la surface duquel nous formons la couche
inorganique par réduction active des ions métalliques
présents dans la solution. La grande variété de structures
auto-assemblées associée à la possibilité d’ajuster la
nature et l’épaisseur de la couche inorganique donne à
cette procédure un fort potentiel pour la synthèse d’objets
aux propriétés physico-chimiques contrôlées. Nous avons
appliqué cette méthode avec succès sous diverses
géométries et en utilisant deux procédures de contrôle
pour la croissance de la phase inorganique : la radiolyse
des molécules d’eau et la photoréduction des complexes
du platine.
La radiolyse regroupe l’ensemble des transformations
chimiques provoquées dans la matière par l’absorption de
l’énergie d’un rayonnement ionisant. Le procédé de
synthèse radiolytique de nano-agrégats métalliques
permet la préparation quantitative d’un grand nombre de
métaux, seuls ou alliés, libres ou greffés sur support.
En géométrie bidimensionnelle, nous avons développé
une nouvelle méthode, la « radiolyse de surface », qui
permet de réaliser des couches organométalliques
d’épaisseur nanométrique. Pour ce faire, on dépose en
phase dense une monocouche de molécules amphiphiles
sur une sous-phase aqueuse contenant des ions
métalliques (film de Langmuir). On éclaire ensuite cette
surface par un faisceau de rayons x avec une incidence
inférieure à l’angle critique ce qui produit dans la
solution une onde évanescente dont la pénétration est
Perspectives :
PHYSISORPTION DE MOLECULES ORGANIQUES : l’idée est
maintenant, au travers de différentes collaborations
(Hollande et Italie), de comparer ces résultats aux
différentes structures de molécules également
caractérisées par l’association d’une chaîne alkyle et
d’un fort moment dipolaire, pour comprendre comment la
balance interaction dipôle-substrat et interaction chaîne
alkyle-substrat a lieu pour induire les modifications de
structures observées sur substrat cristallin (MoS2,
graphite et or).
ANCRAGE CRISTAL LIQUIDE : il s’agit de profiter du
savoir-faire acquis dans le lien « interface maîtrisée au
65
diffusion des rayons x aux petits angles (SAXS) et cryomicroscopie électronique en transmission. Typiquement,
les dimensions de ces nano-coques, dont la présence est
clairement établie comme le montre le cliché de la figure
2, sont de l’ordre de 2nm pour le rayon intérieur et de 4,5
nm pour le rayon extérieur.
limitée à 5 nm. Les photons x qui composent cette onde
induisent par radiolyse de l’eau la réduction des ions
métalliques. Ces derniers s’agrègent pour former une
couche inorganique ancrée sous la monocouche
organique (voir figure 1).
Faisceau x incident
Volume θin < θc
irradié par
l’onde
évanescente
Solution
acqueuse
d ’Ag+
Figure 2 : Cliché de cryo-microscopie (coll. E. Larquais) d’une
solution d’ions argent et de micelle d’acide linoléique après
irradiation. Le trou au centre de la sphère démontre la formation
de nano-coques.
Nous avons ensuite étudié les propriétés optiques liées
à ces dimensions remarquables. En effet, il n’existe pas, à
notre connaissance, de publications traitant de coques
aussi petites. Le suivi de l’absorption UV-visible au cours
de l’irradiation (fig. 3) montre un déplacement de la
fréquence plasmon vers les hautes énergies en bon accord
qualitatif avec les modèles que nous avons développés à
base de la théorie classique.
Figure 1 : Principe de la radiolyse de surface. Les photons x, de
pénétration limitée par l’incidence, induisent la formation d’une
couche métallique cristalline ancrée sous la monocouche
organique.
Nous utilisons la diffusion de ces mêmes rayons x pour
suivre l’évolution de la structure de l’interface au cours
de l’irradiation. Nous avons par exemple observé sous
une monocouche d’acide béhénique l’apparition d’une
couche d’argent cristallin d’environ 4nm d’épaisseur et
orienté par l’interface. Ces structures sont ensuite
transférées sur substrat solide, i.e. pastille de silicium,
pour d’autres caractérisations (AFM, XPS, etc.). Nous
avons également formé par cette même procédure des
couches d’or, de cuivre, de platine ainsi que de mélange
cuivre-argent, une fois déterminée la molécule organique
adéquate.
Nous avons obtenu des résultats similaires en faisant
croître par photo-chimie un film de platine sous une
monocouche de DODA ([CH3(CH2)17]2N(CH3)2). Dans
ce cas, l’épaisseur du film inorganique n’est pas définie
par la pénétration des photons dans la solution mais par la
durée de la réaction. En effet, la cinétique de cette
dernière, qui se produit en deux étapes dans le cas du
platine, peut être ajustée par l’intensité du faisceau
lumineux (i.e. produit par une lampe ou un laser). On doit
donc la rendre suffisamment lente pour que cette
épaisseur soit limitée à 3 ou 4 nm après quatre jours. La
surface du film apparaît cependant plus rugueuse dans ce
cas.
Nous avons ensuite étendu cette procédure à une
géométrie tridimensionnelle. Nous avons obtenu des
nano-coques métalliques en irradiant (avec des photons x
ou γ) une solution contenant des ions argent et des
micelles d’acide linoléique, l’irradiation induisant la
formation d’une couche d’argent métallique à la surface
de ces micelles. Ces objets ont été caractérisés par
7 ,0
A bs or b an c e
6 ,0
5 ,0
4 ,0
3 ,0
2 ,0
1, 0
E n e r g ie
( e V )
0 ,0
2 ,0 00
3 ,00 0
4 ,0 00
Figure 3 : Evolution du spectre d’absorption UV-visible au
cours de la formation des nano-coques. On observe le
déplacement attendu de la bande plasmon.
Perspectives : Dans les années qui viennent, nous allons
principalement porter nos efforts selon deux directions.
1) En géométrie bidimensionnelle, nous allons
développer un montage permettant de réaliser la
66
radiolyse de surface à partir d’une anode tournante de
laboratoire. Nos expériences sur synchrotron associées
aux calculs d’optiques x nous ont montré la faisabilité
d’un tel dispositif. Celui-ci permettra d’explorer les
conditions pour la réalisation d’une large variété de
systèmes métaux/couches organiques, exploration
actuellement limitée par le faible temps disponible sur les
sources synchrotrons. Ce dispositif devrait de plus
permettre de caractériser ces interfaces par des mesures
de diffusion de surface à faible résolution. De plus,
augmenter la « production » de ces échantillons devrait
nous permettre de développer l’exploration des
propriétés physiques (transport, optique, etc.) et
chimiques de ces systèmes de faible épaisseur.
2) En géométrie tridimensionnelle, nous allons essayer
de diversifier les systèmes organométalliques que nous
formons en jouant principalement sur deux aspects. Nous
allons varier la nature du métal, i.e. en remplaçant
l’argent par l’or ou le platine dans le cadre des nanocoques et également tenter d’obtenir des alliages dont la
composition pourrait être déterminée par les
concentrations ou la dose d’irradiation. Nous allons
également utiliser comme « moule » des phases formées
par auto-assemblage des molécules amphiphiles mais
présentant d’autres géométries. Nous tenterons ainsi de
réaliser des « sandwich » métal-organique-métal à partir
des phases lamellaires. Nous tenterons aussi les phases
éponges pour générer un poreux métallique. Enfin,
l’utilisation de virus à charge de surface contrôlée
devrait nous permettre d’ouvrir une nouvelle voie pour la
fabrication de nano-tubes métalliques. Des premières
expériences, réalisées en collaboration avec E. Grelet
(C.R.P.P. à Pessac), s’avèrent assez prometteuses. Bien
évidemment, nous continuerons et élargirons l’étude des
propriétés physiques et chimiques de ces nouveaux
systèmes.
mesures d’AFM. Parmi les divers systèmes que nous
avons étudiés, deux présentent des résultats
particulièrement remarquables.
Monocouche mixte d’acides gras hydrogénés et fluorés
Nous avons étudié des monocouches mixtes d'acides
gras hydrogénés et perfluorés à l’interface eau-air. Nous
avons choisi les mélanges C11F23COOH-C13H27COOH
et C11F23COOH-C17H35COOH. L’intérêt de ces
systèmes réside dans la présence d'une phase liquide LE
pour C13H27COOH à température ambiante qui n'est pas
observée pour C17H35COOH et la molécule fluorée.
Nous avons réalisé des mesures thermodynamiques et de
diffusion rasante des rayons x à différentes
concentrations du mélange. L'analyse des résultats
montre, comme attendu, que les espèces hydrogénées et
fluorées ne se mélangent pas. Cependant, l’observation
de pics de diffraction anormalement larges démontre que
les domaines fluorés présentent une faible longueur de
cohérence, de l’ordre de 7 nm, dans le mélange
C11F23COOH-C13H27COOH en présence de la phase
liquide LE. La largeur de ces pics est à nouveau limitée
par la résolution expérimentale quand le film est
comprimé jusqu’à supprimer la phase LE. Cette
observation peut s’interpréter soit par une dissolution
partielle des molécules hydrogénées dans les domaines
fluorés, soit par des dimensions particulièrement faibles
(~ 10 nm) de ces domaines. Pour trancher entre ces deux
explications, nous avons développé des expériences de
diffusion des rayons x aux petits angles et sous incidence
rasante (GISAXS) in situ à la surface de l’eau sur la ligne
Troika de l’ESRF (figure 4). C’est à notre connaissance
les premières mesures de ce type sur surface liquide.
L’analyse des spectres que nous avons obtenus démontre
que les domaines fluorés sont effectivement de faible
dimension, de 1 à 20 nm, en présence de la phase LE.
7) Couches monomoléculaires.
10-5
eau
C11F23COOH – π = 10 mN/m
Bardin Lisa, Fauré Marie-Claude, Fontaine Philippe,
Goldmann Michel, Rémita Samy
Références : [1], [2], [12], [20], [24], [28], [38]
i
10-6
n
t
e
n
s
10-7
i
t
é
(u. a.)
Les monocouches de Langmuir sont obtenues en
adsorbant des molécules organiques amphiphiles à
l'interface eau-air. La forte variabilité que l’on peut
obtenir en modifiant la nature de la molécule et/ou de la
sous-phase permet d’avoir un spectre large quant aux
domaines d’intérêts que présentent ces films. Ces couches
sont particulièrement bien adaptées aux études
fondamentales sur les phases bidimensionnelles, peuvent
représenter certains aspects de la membrane cellulaire et
permettent
l'obtention
d'auto-assemblages
2D
intéressants. On peut aussi utiliser le "champ" de
l'interface pour forcer l’orientation des molécules
adsorbées, ce qui permet d'imposer des interactions entre
groupements chimiques localisés à l’interface.
L’extension de ce principe consiste à utiliser la couche
comme «moule » (template) pour former de nouveaux
systèmes via la sous-phase (voir le paragraphe
précédent). La possibilité de transférer ces monocouches
sur un substrat solide leur donne un intérêt potentiel pour
diverses applications telle la microélectronique ou la
microcatalyse. Ces films sont étudiés à différentes
échelles. L'exploration macroscopique du diagramme de
phase s’effectue par relevé d'isothermes. L'échelle
mésoscopique est sondée par microscopie à l’angle de
Brewster et l'échelle microscopique par des expériences
de diffusion des rayons x de surface ainsi que des
10-8
0,1
C13H27COOH / C11F23COOH (2/1)
π = 6 mN/m
C13H27COOH / C11F23COOH (2/1)
π = 10 mN/m
1
Qy (nm-1)
10
Figure 4 : GISAXS sur monocouche mixte d’acide
gras sur surface liquide.
Monocouche d’alcanes semi-fluorés
Les alcanes semi fluorés du type CnF2n+1CmH2m+1,
présentent la particularité d’être totalement hydrophobes
et d’avoir une partie fluorée également lipophobe. Ces
molécules sont pourtant capables de former un film de
Langmuir à la surface de l’eau. Dû aux caractéristiques
précédentes et du fait que ces deux parties tendent à
s’éviter, la structure de ces monocouches était sujette à
controverse. Nous avons démontré par diffraction des
rayons X aux petits angles en incidence rasante
(GISAXS) sur surface liquide que ces molécules (0.3 nm²
de section) forment un réseau hexagonal de paramètre
étonnamment grand de l’ordre de 35 nm (fig 5).
67
10
polaire ne devrait pas perturber la structure des édifices
auto-assemblés.
Nous souhaitons également aborder un autre domaine
d’intérêts que présentent les films de Langmuir en
étudiant des films de calixarènes à l'interface liquide-air.
En effet, certains calixarènes, amphiphiles, peuvent être
adsorbés à l'interface air-eau et former ainsi une
monocouche stable. Grâce à l'orientation de leurs
cavités,
ces
auto-assemblages
bidimensionnels
pourraient, après dépôt sur électrode métallique,
constituer des nano-capteurs ou des nano-chambres
catalytiques. Dans un premier temps, nous devons
déterminer les conditions thermodynamiques nécessaires
à
l'élaboration
contrôlée
d'auto-assemblages
bidimensionnels stables de calixarènes diversement
fonctionnalisés, les caractériser et en étudier les
propriétés structurales en fonction de divers paramètres
(pH, présence d'ions métalliques…). Dans un deuxième
temps, l'étude d'électrodes modifiées, et l'utilisation de
ces systèmes 2D en tant que moules pour la synthèse par
radiolyse de surface de nano-objets organométalliques
d’architecture contrôlée seront envisagées.
11
intensité normalisée
20
1E-5
21
30
1E-6
22
40
32 33
42
60 44
1E-7
1E-8
0,2
0,4 0,6 0,8 1
-1
Q (nm )
2
Fig 5 : spectre GISAXD mesuré sur une monocouche de
Langmuir de F8H16 à la surface de l’eau
Ce réseau n’est observable que pour une pression de
surface supérieure à 1 mN/m et de façon surprenante se
maintient au-delà de la pression de collapse. Nous avons
réussi à obtenir sur substrat solide le même réseau
cristallin que celui observé sur l’eau. On remarque sur les
images AFM que ces domaines sont alors de forme
hexagonale et facettée (fig 6). L’origine de cette
autorganisation reste toujours inconnue.
8) Nanocristaux (collaboration avec l’équipe
« oxydes en basses dimensions »).
Lacaze Emmanuelle, Jupille Jacques, Rodriguez Raul
Nous avons démarré depuis 2 ans une collaboration
inter-équipes
« physico-chimie
des
surfaces
fonctionnelles » et « oxydes en basses dimensions ». Il
s’agit d’étudier des nano-cristaux d’oxydes et de sonder
les phénomènes de surface au niveau local, le but étant
d’aller au-delà de la vision moyennée des objets qui
prévaut actuellement dans la communauté.
Le premier sujet concerne la thèse de Raul Rodriguez
en collaboration avec C. Chanéac et J. P. Jolivet du LCPS
à Jussieu et D. Demaille de l’équipe « Couches minces et
nanostructures hybrides » de l’INSP. Nous étudions des
nano-cristaux d’hématite. Un premier travail a consisté,
avec succès, à trouver comment disperser les nanocristaux sur substrat de molybdénite pour les études
AFM. Ensuite, via une étude conjointe AFM et TEM,
nous avons déterminé la structure cristallographique des
nano-cristaux, établi la structure unique des facettes qui
appartiennent, de façon surprenante, à la famille {104}.
Nous étudions actuellement, en combinant calculs
numériques et mesures AFM (le signal AFM de
déphasage est lié à la présence de charges de surface)
l’origine physique de ces facettes, a priori favorisées par
leurs charges de surface. Dans un deuxième temps, nous
profiterons du savoir-faire de nos collaborateurs
chimistes pour « décorer » les nano-cristaux de
polycations ou polyanions pour modifier et suivre les
modifications par AFM des charges de surface. Il s’agit
finalement d’être capable de contrôler au niveau local ce
paramètre clé de façon générale pour les colloïdes, les
charges de surface, qui contrôlent non seulement la
croissance des nano-cristaux mais également leur
agrégation en solution.
110nm
Fig. 6 : image AFM d’une monocouche
de F8H18 transférée sur substrat solide
Perspectives :
Nous souhaitons utiliser les deux types d'autoassemblages de molécules fluorées décrits précédemment
comme nano-moules pour la radiolyse de surface. Dans
le cas des émulsions bidimensionnelles (monocouche
mixte d’acides gras hydrogénés et fluorés), nous
pourrons obtenir divers moules en jouant sur la taille des
domaines fluorés et ce en ajustant l'état des chaînes
hydrogénées et la tension de surface. Nous pourrons
également ajuster la nature des têtes polaires des
molécules en fonction de celle des ions métalliques afin
d'obtenir des nano-plots inorganiques ou des alliages.
Dans le cas des auto-assemblages d'alcanes semi-fluorés,
leur utilisation comme moules nécessite le greffage d'une
petite tête polaire (acide carboxylique ou phosphate),
adaptée au métal étudié, à l'extrémité de la partie
hydrocarbonée. Nous espérons alors fabriquer un réseau
hexagonal bidimensionnel de nano-plots métalliques par
radiolyse de surface. Notons que l'ajout d'une petite tête
Le deuxième sujet démarre actuellement à la suite de la
thèse de Romain Hacquard. Il s’agit de combiner études
théoriques et études d’AFM pour progresser dans la
compréhension des phénomènes locaux à l’œuvre dans le
processus de dissolution des cristaux de MgO.
68
Publications
[1].
«Micro Phase Separations induced by
Fluorinated Chains in Self-Assembled
Molecular Systems»; Krafft M.P.,
Muller P., Maaloum M., Schmutz M.,
Goldmann M., Fontaine P.; SelfAssembly, Ed: B. H. Robinson, IOS Press,
Amsterdam ; 2003
[2].
«Monolayers made from fluorinated
amphiphiles»; Krafft M.P., Goldmann M.;
Curr. Opin. Colloid Interface. Sci.; 8 ;
251 ; 2003
[3].
«Polarization
and
angle-resolved
NEXAFS of benzene adsorbed on oriented
single-domain Si(001)-2_1 surfaces»;
Hennies F., Föhlisch A., Wurth W.,
Witkowski
N.,
Nagasono
M.,
Piancastelli M.
N.,
Pietzsch
A.,
Mattsson S.; Phys. Rev. B ; 68 ; 115408 ;
2003
[12].
«Fast and adjustable-resolution grazing –
incidence x-ray liquid surface diffraction»;
Fontaine
P.,
Goldmann
M.,
Bordessoule M., Jucha A.; Rev. Sci.
Instrum.; 75 10 ; 3097 ; 2004
[13].
«GIXD measurement of the relaxations
and elastic step interactions on Cu(211)
and Cu(322) »; Prévot G., Coati A.,
Garreau Y.; Phys. Rev. B ; 70 ; 205406 ;
2004
[14].
«Incorporation
of
Glycoconjugated
Porphyrin Derivatives into Phospholipid
Monolayers : A Screening Method for
Evaluation of Their Interaction with a Cell
Membrane»;
Desroches
M.
C.,
Kasselouri A., Meyniel M., Fontaine P.,
Goldmann M., Prognon P., Maillard P.,
Rosilio V.; Langmuir ; 20 ; 11698 ; 2004
[15].
«Interactions of lipid monolayers with the
natural biopolymer hyaluronic acid»;
Ionov R., El-Abed A., Goldmann M.,
Peretti P.; Biochimica et Biophysica Acta ;
1667 ; 200 ; 2004
[16].
«Observation of a two step mechanism in
the formation of a superstructure of
cadmium-behenic
acid
Langmuir
monolayer : Evidence of an intermediate
structure»; Cantin S., Pignat J., Perrot F.,
Fontaine P., Goldmann M.; Phys. Rev. E ;
70 ; 050601 ; 2004
[4].
«Superlattice Formation in Fatty Acid
Monolayers on a Divalent Ion Subphase :
Role of Chain Length, Temperature and
Subphase Concentration»; Dupres V.,
Cantin S., Benhabib F., Perrot F.,
Fontaine P., Goldmann M., Daillant J.,
Konovalov O.; Langmuir ; 19 ; 10808 ;
2003
[5].
«Wet chemical cleaning of InP surfaces
investigated by in situ and ex situ infrared
spectroscopy»;
Pluchery
O.,
Christman S. B., Opila R. L., Chabal Y. J.;
Journal of Applied Physics ; 94 ; 2707 ;
2003
[17].
«Optical grating formed in thin smectic
films frustrated on a single crystalline
substrate»; Michel J.-P., Lacaze E.,
Alba M., de Boissieu M., Gailhanou M.,
Goldmann M.; Phys. Rev E ; 70 ; 011709 ;
2004
[6].
«Adsorption geometry of C2H2 on the
single-domain Si(0 0 1)-(2 ◊ 1) surface:
fully polarization resolved NEXAFS»;
Pietzsch A., Hennies F., Föhlisch A.,
Wurth W., Nagasono M., Witkowski N.,
Piancastelli M. N.; Surf. Sci.; 562 ; 65 ;
2004
[18].
«Revisiting elastic interactions between
steps on vicinal surfaces: The buried
dipole model»; Prévot G., Croset B.; Phys.
Rev. Lett.; 92 ; 256104 ; 2004
[19].
«Structural Organization of a-Helical
Peptide Antibiotic Alamethicin at the
Air/Water Interface»; Ionov R., El-Abed
A., Goldmann M., Peretti P.; J. Phys.
Chem. B ; 108 ; 8485 ; 2004
[20].
«Combined
scanning
tunneling
microscopy and reflectance anisotropy
spectroscopy study of self-organized
anisotropic cobalt nanodots on a vicinal
Au(111)
surface»;
Witkowski
N.,
Borensztein Y., Baudot G., Repain V.,
Girard Y., Rousset S.; Phys. Rev. B ; 70 ;
085408 ; 2004
«Substrate-dependent conformational state
induced by hydrophilic group intercalated
in
a
semi-fluorinated
molecule»;
Dupres V., Cantin S., Perrot F., Michel J.
P., Lacaze E., Fontaine P., Goldmann M.;
Thin Solid Films ; 457 ; 381 ; 2004
[21].
«Dimerization in the commensurate
network of 4-n-octyl-4’-cyanobiphenyl
(8CB) molecules adsorbed on MoS2 single
crystal»;
Lacaze
E.,
Alba
M.,
Goldmann M., Michel J.P., Rieutord F.;
Eur. Phys. J. B ; 39 ; 261-272 ; 2004
«Synthesis of Nanostructured MetalOrganic Films : Surface X-ray Radiolysis
of Silver Ions Using a Langmuir
Monolayer as a Template»; Muller F.,
Fontaine P., Rémita S., Fauré M. C.,
Lacaze E. Goldmann M.; Langmuir ; 20 ;
4791 ; 2004
[22].
«Elastic origin of the O/Cu(110) selfordering evidenced by GIXD»; Prévot G.,
Croset B., Girard Y., Coati A., Garreau Y.,
Hohage M., Sun L.D., Zeppenfeld P.;
Surf. Sci.; 549 ; 52 ; 2004
«Wet chemical cleaning of plasma oxide
grown on heated (001) InP surfaces»;
Lita B., Pluchery O., Opila R. L.,
Chabal Y. J., Bunea G., Holman J. P.,
Bekos E. J.; Journal of Vacuum Science &
Technology B ; 22 ; 1885 ; 2004
[23].
«Optical response of clean and hydrogencovered vicinal Si(001)2x1 surfaces»;
Borensztein Y., Witkowski N.; J. Phys.
Cond. Mat.; 16 ; S4301-S4310 ; 2004
[24].
«Direct Evidence for Highly Organized
Networks of Circular Surface Micelles of
Surfactant at the Air-Water Interface»;
Fontaine P., Goldmann M., Muller P.,
Fauré M.C., Konovalov O., Krafft M. P.;
J. Am. Chem. Soc.; 127 ; 512-513 ; 2005
[7].
[8].
[9].
[10].
[11].
«Bistable Nematic and smectic anchoring
in 8CB liquid crystal adsorbed on MoS2
single crystal»; Lacaze E., Michel J.P.,
Goldmann M., Gailhanou M., de Boissieu
M., Alba M.; Phys. Rev E ; 69 ; 041705 ;
2004
«Electronic structure and screening
dynamics of ethene on single-domain
Si(001) from resonant inelastic x-ray
scattering»; Föhlisch A., Hennies F.,
Wurth W., Witkowski N., Nagasono M.,
Piancastelli M. N., Moskaleva L. V.,
Neyman K. M., and Rösch N.; Phys. Rev.
B ; 69 ; 153408 ; 2004
69
[25].
«Fabrication and characterization of
scanning
tunneling
microscopy
Superconducting Nb tips having highly
enhanced critical fields»; Kohen A.,
Noat Y., Proslier T., Lacaze E., Aprili M.,
Sacks W. and Roditchev D.; Physica C ;
419 ; 18 ; 2005
[26].
«Investigation of molecule chemisorption
on Si(001)2x1 surfaces by surface
reflectance spectroscopies»; Pluchery O.,
Witkowski N., Borensztein Y.; Phys. Stat.
Sol. (b); 242 ; 2696 ; 2005
[27].
«Optical investigation of benzene
adsorption on vicinal single-domain
Si(001) (2x1) surfaces»; Witkowski N.,
Pluchery O., Borensztein Y.; Phys. Rev.
B ; 72 ; 075354 ; 2005
[28].
«Preventing
Crystallisation
of
Phospholipids in Monolayers: a new
approach to Lung Surfactant Therapy»;
Gerber F., Krafft M.P., Vandamme T.F.,
Goldmann M., Fontaine P.; Ang. Chem.,
18 ; 2749 ; 2005
[29].
«Probing the Si-Si Dimer Breaking of
Si(100) 2x1 Surfaces upon Molecule
Adsorption by Optical Spectroscopy»;
Borensztein
Y.,
Pluchery
0.,
Witkowski N.; Phys. Rev Lett.; 95 ;
117402 ; 2005
[30].
«Radiation induced synthesis of silver
nanoshells formed onto organic micelles»;
Remita S., Fontaine P., Rochas C.,
Muller F., Goldmann M.; Eur. Phys. J. D ;
34 ; 231 ; 2005
«RAS investigation of benzene adsorption
on vicinal single domain Si(001)-(2x1)
surfaces»; Witkowski N., Pluchery O.,
Royer R., Borensztein Y.; Phys. Stat. Sol.
(c); 2 ; 4053 ; 2005
[31].
[32].
[33].
«Revealing the structure of focal conics
cores and their influence on the evolution
with temperature : an x-ray study of ultrathin 8CB films»; Michel J. P., Lacaze E.,
Goldmann M., de Boissieu M.,
Gailhanou M., Alba M.; Mol. Cryst. Liq.
Cryst.; 437 ; 1343 ; 2005
«Structure of smectic defect cores: X-ray
study of 8CB liquid crystal ultra-thin
films»; Michel J.-P., Lacaze E.,
Goldmann M.,
Gailhanou
M.,
de
Boissieu M., Alba M. ; Phys. Rev. Lett.;
96 ; 027803 ; 2006
[34].
«Self-organised epitaxial growth on
spontaneously nano-patterned templates»;
Rousset S., Croset B., Girard Y.,
Prévot G., Repain V., Rohart S., C.R.
Physique ; 6 ; 33 ; 2005
[35].
«Investigation of cobalt nanodots on a Au
vicinal surface by optical excitation of
plasmon-like resonances using reflectance
anisotropy spectroscopy»; Borensztein Y.,
Witkowski N., Baudot G., Girard Y.,
Rousset S.; Phys. Stat. Sol. (c) ; 2 ; 4072 ;
2005
[36].
«Influence of a Neoglycolipid and its
PEO-Lipid Moiety on the Organization of
Phospholipid Monolayer»; DynarowiczLatka P., Rosilio V., Boullanger P.,
Fontaine P. ,.Goldmann M., and
Baszkin A.; Langmuir; 21 ; 11941-11948 ;
2005
[37].
«Self-organized systems for measuring
surface stress at the nanoscale: N and O
adsorption on Cu(100)»; Prévot G., Croset
B., Coati A., Garreau Y., Girard Y. ; Phys.
Rev. B; 73 ; 205418(1-11) ; 2006
[38].
«Fluidization
of
a
Dipalmitoyl
Phosphatidylcholine
Monolayer
by
Fluorocarbon Gases : Potential Use in
Lung Surfactant Therapy»; Gerber F.,
Krafft
M.P.,
Vandamme
T.
F.,
Goldmann M. and Fontaine P.; Biophys.
Jour.; 90 ; 3184-3192 ; 2006
[39].
«α−β
phase
transition
in
MnAs/GaAs(001) thin films: an optical
spectroscopic investigation»; Vidal F.,
Pluchery O., Witkowski N., Garcia V.,
Marangolo
M.,
Etgens
V.H.,
Borensztein Y.; Phys. Rev. B; 74 ;
115330(1-7) ; 2006
[40].
«Adsorption of phenylacetylene on
Si(100)-2x1: kinetics and structure of the
adlayer»; Pluchery O., Coustel R.,
Witkoswki N., Borensztein Y.; J. Phys.
Chem ; 110 ; 22635 ; 2006
[41].
«RAS: an efficient probe to characterize
Si(001)-2x1 surfaces»; Witkoswki N.,
Coustel R., Pluchery O., Borensztein Y.;
Surf. Sci.; 600 ; 5142 ; 2006
[42].
«Reply to Comment on "Structure of
Smectic Defect Cores: X-Ray Study of
8CB Liquid Crystal Ultrathin Films"»;
Michel JP., Lacaze E., Goldmann M.,
Alba M.; Phys. Rev. Lett.; 97 ; 159802 ;
2006
[43].
«Elastic relaxations and interactions on
metallic vicinal surfaces: testing the dipole
model»; Prévot G., Croset B.; Phys. Rev.
B; 74 ; 235410 (1-11) ; 2006
[44].
«Ordered growth of nanodots on a prestructured
metallic
template:
Au/N/Cu(001)»; Prévot G., Guesmi H.,
Croset B.; Surf. Sci.; 601 ; 2017-2025 ;
2007
[45].
«Role of anisotropies on self-organisation
of stressed domains on (001) surfaces of
cubic crystals»; Croset B., Guesmi H.,
Prévot G.; Phys. Rev. B; 76 ; 073405 ;
2007
[46].
«Proportion
and
dispersion
of
rhomboedral sequences in the hexagonal
structure of graphite powder»; Wilhem H.,
Croset B., Medjahdi G.; Carbon ; 45 ;
2356-2364 ; 2007
[47].
«Direct
observation
of
elastic
displacement
modes
by
GIXD»;
Prévot G., Coati A., Croset B., Garreau Y.;
J. Appl. Cryst.; 40 ; 874-882 ; 2007
[48].
« Planar anchoring and surface melting in
smectic
A
phase »;
Lacaze
E.,
Michel J. P., Alba M., Goldmann M. ;
Phys. Rev. E ; accepté ; 2007
[49].
«X-ray radiolysis induced formation of
silver nanoparticules : a SAXS and UVvisible absorption study»; Remita S.,
Fontaine P., Lacaze E., Borensztein Y.,
Sellam H., Farha R., Rochas C.,
Goldmann M. ; Nucl. Inst. and Meth. in
Phys. Res. B ; accepté ; 2007
[50].
«Radiation-induced synthesis and cryoTEM characterization of silver nanoshells
on linoleate spherical micelles» ; Attia J.,
Samy R., Lacaze E., Fauré M.-C.,
Larquet E., Jonic S., Goldmann M.;
Langmuir ; 23 ; 9523-9526 ; 2007
[C1] «Isotropic and anisotropic optical reflectances of
clean and hydrogen-covered Si(001)2x1 surfaces»;
Borensztein Y., Witkowski N. et Royer S.; Phys. Stat.
Sol. (c); 0 ; 2966 ; 2003
70
•
[C2] «Differential reflectance spectroscopies of
semiconductor surfaces»; Borensztein Y.; Phys. Stat. Sol.
(b); 202 ; 1313 ; 2005
[C3] «Study of solid/liquid interfaces by optical
techniques», Y. Borensztein, Proceedings of the 33rd
Course of the International School of Solid State Physics,
EPIOPTICS-8, World Scientific (2004) ; 137-148 ; 2004
•
«Playing with x-rays and organic monolayer at
•
the air/water interface»; Goldmann M.; 2nd
Mexican Meeting on Mathematical and
Experimental Physics ; Mexico (Mexique) ;
6-10 septembre 2004
•
«Differential Reflectance Spectroscopies of
semiconductor surfaces»; Borensztein Y. ;
International Workshop on Modulation
Spectroscopy of Semiconductor Structures ;
Wroclaw (Pologne); 1-3 juillet 2004
•
«The study of solid-liquid interfaces using
optical
techniques»;
Borensztein
Y. ;
International workshop EPIOPTICS-8 ; Erice
(Sicile); 20-26 juillet 2004
•
«Observing molecules at soft interfaces»;
Goldmann M. ; International Summer School
on Soft Matter : Nanoscience and Photonics,
Science and Technology. Fondation ;
University of Calabria (Italie); juin 2005
•
«Small size effects in liquid crystals»;
Lacaze E.; International Summer School on
Soft Matter : Nanoscience and Photonics,
Science and Technology. Fondation
;
University of Calabria, Italie ; juin 2005
•
«Evidence of Organized alkanes nanodrops on
water surface»; Goldmann M. ; 16th ESRF
Users meeting ; European Synchrotron
Radiation Facility, Grenoble (France); 7-9
février 2006
•
«
Functionalizing
nano-objects
»
;
Goldmann M. ; International Conference on
NANO-Structures Self Assembling (NANOSEA
2006) ; Aix en Provence (France); 2-6 juillet
2006
•
« Real-time optical UV-visible spectroscopies
to
monitor
molecular
adsorption
on
reconstructed silicon surface»; Pluchery O.,
Witkowski N., Coustel R. and Borensztein Y. ;
International Conference on NANO-Structures
Self Assembling (NANOSEA 2006) ; Aix en
Provence (France); 2-6 juillet 2006
•
«Solid-liquid interfaces investigated by optical
spectroscopies»; Borensztein Y. ; International
School of Solid State Physics, 38th
Course/School: Epioptics 2006 ; Erice (Italie) ;
20-26 juillet 2006
•
«Ordering of a liquid crystal using an interface
liquid crystal/single crystal»; Lacaze E. ;
Science and Technology of the Mesophases and
Molecular Materials (STM3) workshop ;
Cetraro (Italie); octobre 2006
•
«Ordering on a crystalline substrate : nCB
molecules on MoS2, from the monolayer to the
liquid crystal bulk»; Lacaze E. ; Institute of
Molecular Materials (IMM) colloquium ;
Nijmegen (Pays-Bas); avril 2007
«Gas Adsorption on Semiconductor Surfaces
monitored
by
Surface
Reflectance
Spectroscopies»;
Borensztein Y.,
Witkowski N., Pluchery O., Coustel R., Optics
of Surfaces and Interfaces 7 ; Jackson Hole,
Wyoming (USA); 15-20 juillet 2007
«Ordering on a crystalline substrate : from the
monolayer to the liquid crystal bulk»;
Lacaze E. ; 31th International Symposium on
the Dynamic Properties of Solids (DyProSo
XXXI) ; Porto (Portugal); septembre 2007.
Thèses et HDR
« Structures de petite taille en matière molle »,
•
Lacaze Emmanuelle, HDR, 2005
•
« Synthèse
de
nanomatériaux
organométalliques d'architecture contrôlée par
métallisation radioinduite de moules organiques
auto-assemblés », Rémita Samy, HDR, 2005
•
« Déplacements et interactions élastiques pour
des surfaces nanostructurées périodiques »,
Prévot Geoffroy, HDR, 2007
Contrats publics
•
ACI-Nano :
« Nanocatalyse »
(11/200311/2006) B. Croset
•
Crédits de réinstallation 2005 «radiolyse de
surface », M. Goldmann
•
Crédits mi-lourds SPM /STIC « Contrôle de
l’auto-organisation moléculaire sur silicium :
suivi
par
spectrométrie
infrarouge »
O. Pluchery
•
PPF « Microscope STM environnemental »
Y. Borensztein
•
C’Nano IdF
« Microscope
STM
environnemental » Y. Borensztein
•
BQR UPMC 2007 « Microscope STM
environnemental » Y. Borensztein
•
Goldmann M., Lacaze E. , 9èmes JMC,
Minicolloque « Surfaces et films mous » ,
2004, Nancy
•
Goldmann M., session « Matière Molle et
Biologie » de l’atelier « Microscopie et
Imagerie dans le domaine des x mous », 4-5
avril 2005, Orsay
•
Pluchery O., membre du comité d’organisation
du GdR Or-Nano : colloque « Or-Nano », 30
juin-1er juillet 2005, Boucicaut et 1ère Réunion
plénière du GdR Or-Nano 27-28 novembre
2006, Institut Henri Poincaré, Paris.
•
Borensztein Y., Croset B., « Journées surfaces
interfaces 2007 », 29-31 janvier 2007,
Boucicaut
•
Rémita S., « Nano-Hybrides 4 », 2- 6 juin
2007, La Marana.
•
Goldmann M., membre du conseil scientifique
du « 13ème Colloque Francophone des Cristaux
Liquides », 10-13 septembre 2007, Bordeaux
71
Surface Science 24 », 4-8 septembre 2006,
Paris
Conférences internationales :
•
Lacaze E., Pluchery O., Prévot G., comité local
d’organisation, « European Conference on
72
Equipe II.3 - Oxydes en basses dimensions (Jacques Jupille)
Permanents : Aline Brunet-Bruneau, MCF (dans l’équipe depuis janvier 2007); Philippe Depondt, MCFHC ; Fabio
Finocchi, DR2 ; Abdelwahab Ghazali, DR2 (décédé juillet 2006) ; Jacek Goniakowski, CR1 ; Nathalie Jedrecy, PU2 ;
Christian Julien, IR1 ; Jacques Jupille, DR1 ; Karel Kunc, DR2 (retraité depuis juin 2007); Lazzari Rémi, CR1 ; Noguera
Claudine, DR1
Non permanents : Ait Salah Atmane, doctorant ; François Bottin, doctorant ; Petr Cašek, doctorant ; Nihed Chaabane, postdoc ; Caramella Lucia, doctorante ; Hacquart Romain, doctorant ; Mantilla Miguel, doctorant ; Jenny Olander, post-doc ;
Rodriguez Raul, doctorant
des demandes de financement auprès de la région
(SESAME) et des tutelles.
Les quatre années qui viennent de s’écouler ont été riches
d’évènements importants pour l’équipe « Oxydes en
basses dimensions », qui a structuré ses thèmes avec des
liens vivants entre théorie et expérience, installé et mis au
point son microscope en champ proche, renouvelé et
renforcé ses effectifs, développés des collaborations aussi
bien à l’intérieur qu’à l’extérieur de l’Institut. Pendant
cette durée, l’équipe a accueilli 6 doctorants et 2 postdoctorants.
L’équipe connaît en 2007 une évolution très importante.
Aline Brunet-Bruneau nous a rejoint en début d’année,
porteuse du thème de l’adsorption dans les poreux et
d’une technique unique qui allie ellipsométrie et
spectroscopie IR. Cet instrument sera associé aux études
des interfaces gaz-solide développées par Slavica
Stankic, classée au concours CR2 CNRS 2007 en section
14 (département SC), et de Pascale Geysermans, CR1
(section 15, département SC) en stage à l'INSP. Toutes
deux nous rejoindrons en octobre de cette année. Enfin,
un concours est ouvert pour le recrutement d’un ingénieur
IR CNRS qui apportera dès la fin de l’année un soutien
essentiel aux développements expérimentaux de l’équipe.
L’activité de l’équipe se structure autour de quatre
thèmes : oxydes au contact de l’eau, interfaces
métal/oxydes, surfaces et films minces et oxydes à
propriétés particulières. Une originalité du groupe est de
rassembler experimentateurs et théoriciens. Les années
passées ont vu la construction progressive d’approches
communes autour des thèmes forts de l’équipe : physicochimique de surfaces d’oxydes hydratés, dissolution et
croissance en solution, structure d’agrégats supportés,
stabilisation des orientations polaires. Il y a encore peu de
publications à l’interface théorie/expérience, mais elles
portent sur des thèmes importants (2 Phys. Rev. Lett. et 1
Phys. Rev. B).
Des collaborations se concrétisent avec différentes
équipes de l’institut :
- « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en
couches minces» (II.1): (a) calculs d’interface de
semiconducteurs (Massimiliano Marangolo et Fabio
Finocchi ; un manuscrit est soumis) ; (b) études par
microscopie électronique en transmission (MET) avec
Dominique Demaille dans le cadre de la thèse de Raul
Rodriguez; (c) étude de ZnO dopé cobalt par résonance
paramagnétique électronique avec Jean-Louis Cantin et
Jurgen von Bardeleben ;
- « Physico-chimie des surfaces fonctionnelles » (II.2) :
(a) la thèse de Raul Rodriguez sur la structure de
particules sol-gel est co-dirigée par Emmanuelle Lacaze
et Jacques Jupille en collaboration avec l’équipe de JeanPierre Jolivet (un manuscrit est soumis) et (b) un projet
commun concerne la structure et la réactivité de
nanoparticules d’or supporté (le projet REACTGOLD,
ANR PNANO 2007, coordonné par Jacques Jupille) ;
- « Couches minces et nanostructures » (III.2) : des
mesures par spectroscopie infra-rouge (IR) sur H2O/MgO
ont été effectuées avec Claude Naud dans le cadre de la
thèse de Romain Hacquart (un manuscrit est soumis).
1) Oxydes au contact de l’eau
Dispositif STM/AFM sous ultra-vide
Aline Brunet-Bruneau, Fabio Finocchi, Jacek
Goniakowski, Romain Hacquart, Jacques
Jupille,
Claudine Noguera, Raul Rodriguez
Instrument central des expérimentateurs de l’équipe, le
microscope à effet tunnel et à forces atomiques (AFMSTM) fonctionne de façon satisfaisante en STM. Des
images avec la résolution atomique ont été obtenues sur
des cristaux Fe(001) et Ag(111) et des nanostructures
originales de MgO sur Ag(111) ont été observées. Un
article a été soumis. L’étape suivante sera la mise au
point du mode AFM et l’installation d’un analyseur
d’électrons. Un spectromètre de pertes d’énergie
d’électrons à haute résolution qui a été monté dans un
bâti indépendant sera mis en route. Par ailleurs, l’équipe
coordonne un projet de photoémission environnementale
qui concerne un ensemble de laboratoires de physique et
de chimie de la matière condensée de Paris-Centre, avec
Réactivité
Références : [33], [50], [106], [C11]
La description des modes d’adsorption de l’eau à la
surface des oxydes est un préalable indispensable à la
compréhension des réactions chimiques dans le milieu
ambiant. L’obstacle principal est que l’expérience peine à
définir les substrats. Pour la plupart des oxydes, les
surfaces à marches contrôlées ne sont pas maîtrisées et on
ne sait pas caractériser les défauts. Ainsi, malgré les
efforts théorie-expérience consacrés au système
73
emblématique
H2O/MgO,
les
seules
données
vibrationnelles consensuelles concernent les OH isolés.
Raul Rodriguez a porté sur les particules d’hématite
formées par hydrolyse forcée de FeCl3 en milieu acide
sans additifs. Réputée dominée par des prismes à base
hexagonale et des rhomboèdres, la forme de ces
particules a été analysée par AFM et MET. De fait, les
particules monocristallines présentent une forme
unique de rhomboèdre borné par des plans (104). Un
manuscrit est soumis. L’origine de cette forme doit
maintenant être comprise par le calcul.
Lors de son travail travail de thèse, Romain Hacquart a
obtenu des résultats originaux par l’analyse - par
photoluminescence (en collaboration avec Guylène
Costentin, LRS), microscopie électronique en
transmission (MET) et spectroscopie infra-rouge (IR) - de
fumées de MgO issues de la combustion de Mg en
atmosphère propre. Par excitation à 5,2 eV des sites
quatre fois coordonnés (4C) de bords de marches <100>,
une bande de photoluminescence est mise en évidence à
une énergie jamais observée (3,8 eV) et attribuée à
l’émission à partir de bords de marches exempts de
défauts. Une étude théorique systématique de H2O/MgO
a été entreprise par simulations ab initio, sur marches de
hauteur mono- ou di-atomique, crans, lacunes, de la
molécule isolée à la couche saturée. La comparaison
entre spectres mesurés et simulés corrobore
l'interprétation des mesures de luminescence et identifie
pour la première fois la signature des marches monoatomiques <100> hydroxylées. De façon générale, on
montre qu’il est plus pertinent de décrire l’hydratation par
des configurations (OH,surface) que par la coordinence
des sites d’adsorption.
II
a
⎡⎣ 441⎤⎦
⎡⎣ 481⎤⎦ (104 )
[841]
I
Hidden
Facets
Top
c
Hidden
Facet
I
II
( 0 14 )
( 114 )
I
Exposed
Facets
b
Exposed
Facet
80º
61º
II
Lateral position (nm)
Nanoparticules rhombohédriques d’hématite
formées par hydrolyse forcée du chlorure de
fer : (a) schéma; (b) image AFM ; (c) profil III : à droite, un angle de (61±2)° proche de la
valeur attendue (59,8°) ; à gauche, demi-angle
au sommet de la pointe (≈10°).
Précipitation en solution
Références : [101], [102], [C2], [C3]
Figure 3. Spectre IR de groupes OH adsorbés
sur une marche monoatomique <100> de
MgO : expérience (3710 et 3480 cm-1) et
calcul ab initio (fréquence et intensité).
Nanoparticules
Référence : [108]
Un autre volet de la thèse de Romain Hacquart a consisté
à suivre par MET la dissolution de cristallites cubiques de
MgO (limités par des facettes (100)) dans l’eau pure à pH
neutre (au lieu des pH<5 utilisés habituellement). L’idée
était de favoriser les plans de bas indices par une
dissolution lente pour rendre l’évolution des cristallites
plus lisible. Tronqués aux arêtes suivant les orientations
(110) puis aux coins suivant (111), les cristallites
cubiques limités par des facettes (100) deviennent des
octaèdres bornés par des plans (111) avec l’avancée de la
dissolution. La stabilité des configurations hydratées et
les formes d'équilibre des cristallites MgO ont ensuite été
examinées par le calcul. La comparaison avec les
morphologies vues par MET, suggère que les troncatures
(110) et (111) correspondent, l’une à une évolution
cinétique, l’autre à un faciès d’équilibre.
Précipitation de particules : fonction N(t1,t)
qui représente la taille au temps t (ordonnée)
de particules qui ont précipité au temps t1
(abscisse). L’échelle de taille va du noir (audessous de la taille critique, par exemple sous
la diagonale où t<t1) au clair.
La synthèse de nano-oxydes en phase aqueuse se trouve à
la croisée des problématiques de surfaces d’oxydes, de
chimie douce (fabrication de particules de taille
contrôlée) et de celles de géochimie (interaction rochessolution, altération des roches dans le milieu naturel,
comportement des phases minérales argileuses utilisables
pour les sites de confinement de déchets nucléaires). Elle
fait intervenir des processus complexes tels que la
diffusion des espèces en solution, la désolvatation des
Les procédés sol-gel sont une voie de synthèse courante
des nanoparticules d’oxydes car le maniement conjoint de
l’acidité des sols et d’additifs conduit à des formes, tailles
et compositions variées. Le début du travail de thèse de
74
ions à la surface des particules et la formation éventuelle
d’oxo-hydroxydes. Dans une première approche, nous
avons construit un modèle simple permettant de décrire la
dynamique de nucléation et de croissance de particules de
composition définie, soit à partir d’une solution
sursaturée, soit comme résultat de la dissolution de
minéraux primaires. Il s’agit d’un modèle continu, dans
lequel sont pris en compte les effets de taille finie des
particules et l’effet en retour sur la solution. La
dynamique de précipitation est relativement complexe, en
raison du caractère hautement non-linéaire des équations
constitutives. Les caractéristiques des particules
(l’évolution en temps de leur taille, la fonction de
distribution de taille) sont fortement dépendantes des
conditions responsables de la précipitation. En
collaboration avec le CGS à Strasbourg, diverses
applications à des situations géochimiques (dissolution de
granite, précipitation compétitive de kaolinite et
d’halloysite) sont en cours de réalisation ainsi qu’une
extension du modèle à la précipitation de particules de
composition variable qui vise à prendre en compte la
richesse de composition des minéraux argileux.
termes, par exemple l’adsorption en monocouche sous
vide et le contact solide/liquide.
L’outil théorique qui a été développé autour de la
précipitation en solution va trouver de nombreuses
applications à des situations géochimiques en
collaboration avec le CGS à Strasbourg (interactions
fluides-roches dans le milieu naturel, comportement de la
silice dans le milieu hydrothermal, etc). Il sera étendu
pour prendre en compte la richesse de compositions
chimiques des minéraux argileux (précipitation de
solutions solides et détermination de l’évolution au cours
du temps de leur composition), mais, par delà les
applications envisagées, il s’agit d’un travail conceptuel
dont les fondements théoriques restent à être posés. Cette
réflexion sur la précipitation en solution permettra de
surcroît un couplage avec les études expérimentales.
La sensibilité de l’ellipsométrie spectroscopique au
gradient d’indice en fait actuellement le seul outil
d’analyse qui permette un suivi local des phénomènes de
physisorption au sein d’un solide poreux. Cela conduit à
deux pistes de réflexion où des adsorbats autres que l’eau
sont aussi considérés : (a) en collaboration avec E.
Kierlik (Laboratoire de Physique Théorique de la
Matière Condensée), nous travaillerons à mettre en
évidence une désorption par la surface (et non
volumique) au sein d’oxydes mésoporeux ; (b)
l’utilisation grandissante des films d’oxydes poreux
nécessite de dépasser la maîtrise de la porosité pour lier
les caractéristiques physico-chimiques (confinement
spatial des molécules, l’interaction oxyde/adsorbat,
coadsorption) à la dimension et à la structure des pores.
Le défi est pour nous de combiner ellipsométrie et
spectroscopie infrarouge pour analyser le réseau poreux.
Dans ce contexte, un travail de thèse (2007-2010, en
collaboration avec le Laboratoire Surface du Verre et
Interfaces et le Laboratoire de Physique de la Matière
Condensée) sera entrepris pour maîtriser l’architecture
des matériaux et en optimiser les propriétés mécaniques.
Autres adsorbats
Nous avons mis au point à l’INSP un dispositif
expérimental original, actuellement unique, qui permet de
combiner in situ des mesures de porosimétrie
ellipsométrique dans le domaine visible à des mesures de
spectroscopie infrarouge, et ce dans une enceinte
ultravide à l’intérieur de laquelle la température et les
pressions partielles sont contrôlées. La Porosimétrie
Ellipsométrique dans le domaine spectral du visible a été
récemment développée pour étudier la physisorption
isotherme de gaz (eau, alcool, alcane) dans des films
d’oxydes mésoporeux. Les spectres ellipsométriques
relevés
au
cours
des
cycles
isothermes
d’adsorption/désorption
témoigne
des
propriétés
structurales (dimension des pores, volume poreux,
connectivité, caractères hydrophile ou hydrophobe) et
mécaniques (constantes élastiques) des réseaux
mésoporeux. Les résultats sont décrits dans le rapport de
l’équipe III.2 (« Couches minces et nanostructures »).
2) Interfaces métal/oxyde
Perspectives : L’objectif général est de décrire les
aspects essentiels des interfaces eau/oxyde : adsorption,
dissolution, croissance, sur divers substrats, du cristal au
solide complexe, et cela par une approche conjointe
expérience/théorie qui seule peut permettre une
description unifiée de l’interface eau/oxyde
Nihed Chaabane, Jenny Olander, Jacek Goniakowski,
Nathalie Jedrecy, Jacques Jupille, Rémi Lazzari,
Claudine Noguera
Croissance
Références : [7], [8], [12], [13], [26], [28], [31], [43],
[44], [52], [99], [100], [115], [124], [125], [126], [C7],
[C9]
Les fumées de MgO synthétisées de façon contrôlée, qui
ont permis de mettre en évidence la signature des bords
de marches hydroxylés, seront utilisées pour caractériser
d’autres sites hydratés ainsi que leur conditions (P,T) de
stabilité. On examinera aussi l’hydroxylation de substrats
différents, comme CaO, et de formes diverses (films
minces, cristaux), dans le but d’une généralisation.
Les applications des nanoparticules métalliques supportés
supposent un contrôle de leur croissance. Cela nous a
conduit à développer des méthodes d’analyse in situ des
films en cours de dépôt, proches de l’analyse en temps
réel : diffusion des rayons X aux petits et aux grands
angles (GISAXS et GIXS, en collaboration avec Gilles
Renaud, CENG), optique UV-visible (en collaboration
avec Yves Borensztein) ou pertes d’énergie d’électrons à
haute résolution (en collaboration avec J.-M. Layet,
Marseille). Des résultats originaux ont été obtenus lors de
l’étude de Ag, Au, Pt, Co sur MgO, TiO2, ZnO :
L’effort de recherche sur les configurations d’adsorption
et les effets cinétiques lors de la dissolution sera
poursuivi en connexion avec l'ANR SIMINOX
coordonnée par Jacek Goniakowski. L’expérimentation
s’attachera à l’observation in situ de nanoparticules,
alors que le travail effectué jusque-là portait sur des
analyses post-mortem. La caractérisation de particules
en solution à l’échelle microscopique, permettra de
discuter, avec l’appui du calcul, le mécanisme de la mise
en solution (croissance) et les faciès d’équilibre. Un
apport crucial de la théorie est ici de relier des systèmes
que l’expérience ne peut pas comparer dans les mêmes
75
Normalized disorder
0.8
préférentiels d'adsorption. Nous avons démontré
l'existence de trois types d'états d'interface: les états dus
aux liaisons chimiques métal-anion ou métal-cation, les
« metal-induced-gap-states » (MIGS) conventionnels et
les états induits par l'effet du champ électrostatique de
l'oxyde qui mènent à une distortion de la bande de
valence. En accord avec le modèle étendu de Schottky,
nous avons trouvé que le transfert de charge et l'indice
d'interface sont pilotés principalement par la variation de
l'électronégativité du métal. En revanche, contrairement
au cas d'interfaces entre un métal et un semi-conducteur
covalent, le champ électrostatique créé par un oxyde
influence fortement le moment dipolaire de l'interface et
la valeur absolue de la barrière de Schottky. Les
méthodes ab initio peuvent aussi rendre compte de
l'énergétique des premiers stades de la nucléation des
agrégats. Nous avons ainsi démontré que, en raison des
effets de piègeage d'électrons et de la polarisation par le
champ électrostatique de l'oxyde, il n’y a qu’un nombre
très limité de défauts ponctuels du substrat qui sont de
bons candidats pour être des centres de nucléation du
métal. En effet, même si l'énergie d'adsorption d'un atome
métallique est systématiquement plus forte sur un défaut
que sur un site régulier de surface, l'énergie d'attachement
des atomes suivants peut être fortement atténuée, au point
d'empêcher la formation d'un germe critique.
0.6
0.4
0.2
0.0 5
6 7 89
0.1
2
3
4
5 6 7 89
2
3
4
1
Thickness (nm)
Au/TiO2(110) : aux grandes tailles de particules
le désordre statique (dicté par les défauts de
surface, en rouge) s’efface devant le désordre
dynamique (lié à la taille des particules, en vert).
-le réseau de dislocations formé par Ag/MgO(100) et son
utilisation comme gabarit pour la croissance autoorganisée (voir paragraphe suivant sur les structures);
-la croissance quasi-2D de Ag/ZnO basal qui est pour une
part attribuée à l’existence d’une maille de coïncidence à
très faible désaccord, donc sans contrainte observable;
-l’auto-similarité de la croissance de Au/TiO2(110)
lorsque les particules sont de taille suffisante pour que
leur position ne soit plus dictée par les défauts de surface
(lacunes d’oxygène), avec un impact possible sur
l’activité catalytique de ces particules ;
-les épitaxies complexes de Pt/MgO(100) qui amènent à
une réflexion sur le lien entre taille et épitaxie (voir
paragraphe sur les structures).
Au-delà des méthodes ab initio, pour prendre pleinement
en compte la diversité structurale et surtout le large
spectre des tailles d'agrégats observées par l’expérience,
nous avons conçu une approche effective qui couple un
potentiel dérivé de l'approximation du second moment
pour l'interaction métal-métal à une surface d'énergie
potentielle (PES) ajustée aux calculs ab initio pour
l'interaction métal-oxyde. Le développement et
l’utilisation de cette approche font l'objet d'une activité
qui, en collaboration avec le CRMCN (Marseille), vise à
la description la plus complète de la croissance des
agrégats supportés.
La possibilité de modifier le type de croissance d'un
métal sur un oxyde de 3D à 2D en changeant l'énergie
interfaciale a été montrée dans le cas de la jonction tunnel
magnétique Fe/MgO/Fe(001), prototype des systèmes
présentant une magnéto-résistance tunnel (TMR). Le
dépôt sous vide de Fe sur MgO/Fe(001) conduit à une
fraction cohérente de l'ordre de 1/8 (croissance épitaxiale
en îlots). Si cette croissance est effectuée sous oxygène
lors des tout premiers stades, une couche atomique nonstoechiométrique FeO0.6 est formée, et le fer croît couche
par couche (fraction cohérente proche de 1). Ceci a des
implications sur l'efficacité du filtrage en spin des
électrons. La procédure classique produit des jonctions
asymétriques Fe/MgO/FeO-Fe avec des valeurs de TMR
entre -70 et 20%. Les jonctions Fe-FeO/MgO/FeO-Fe
réalisées sous oxygène sont parfaitement symétriques et
la TMR pourrait atteindre 8 000%.
Structure
Références : [18], [23], [24], [47], [48], [49], [51],
[103], [104], [109], [110], [114], [C4], [C5], [C6]
L'intérêt porté aux propriétés catalytiques des petits
agrégats métalliques a été à l'origine des travaux sur leur
caractérisation fine, en particulier en ce qui concerne le
rôle du substrat oxyde sur leur morphologie, leur
structure atomique et les particularités de leurs propriétés
électroniques. Du point de vue théorique, la description
précise de l'interface est rendue délicate par la grande
différence de nature des états électroniques dans l'oxyde
et le métal. Cette difficulté est clairement illustrée par les
multiples controverses autour de la nature de l'adhésion et
de la description de la barrière de Schottky que l'on
trouve dans la littérature.
Propriétés rapportées à la taille d’agrégats
Pt/MgO(100) : énergie de surface et distance
Pt-Pt moyennes – En haut, schémas d’agrégats
de tailles indiquées par des flèches ; en bas,
carte des pressions à l’interface (bleu :
tensions, rouge : compression).
Nous avons déterminé l'évolution de la forme d'équilibre
des agrégats supportés en fonction de leur taille, la
déformation de leur structure atomique et l'état de la
contrainte induite par le substrat oxyde. Par l’analyse de
la stabilité relative d'agrégats des tailles différentes, nous
avons aussi défini les tailles optimales et les nombres
magiques correspondants. L'ensemble des résultats sur
Les méthodes ab initio permettent une approche plus
fiable de ces problèmes. Nous avons examiné en détail
des propriétés telles que la forme de la bande de valence,
le transfert de charge, le dipôle d'interface, les sites
76
les nano-agrégats de métaux différents (Pd, Ni, Pt)
supportés sur MgO(100) en épitaxie (100)//(100) nous a
permis de proposer un cadre plus général à l'évolution de
leurs propriétés morphologiques en fonction de la taille
et d'envisager, pour ce type de systèmes, une extension
pratique du théorème capillaire de Wulff-Kaishew à des
objets de taille nanoscopique. Nous avons aussi
caractérisé le réseau de dislocations résultant du
désaccord des paramètres de mailles, sa propagation dans
le film métallique et le patterning produisent à la surface
du film. Ainsi, nous avons mis en évidence un
changement
de
périodicité
du
réseau
tension/compression et l'existence d'une inversion entre
les zones sous tension et sous compression à l'interface et
à la surface libre, pour des dépôts métalliques
d'épaisseurs différentes. Nos calculs montrent aussi que
sur la surface libre, les caractéristiques d'adsorption des
ad-atomes métalliques (eg. Co) sont fortement
dépendantes de l'état de la contrainte. Cela explique
l'auto-organisation des adsorbats sur la couche supportée,
pilotée par le réseau des dislocations à l'interface
métal/oxyde, observée par ailleurs expérimentalement
dans les systèmes Co/Ag/MgO(100).
Images GISAXS d’agrégats de Pt/MgO(100) :
en bas, une monocouche déposée à 300K ; en
haut exposition à 1 Pa de CO. Le glissement
vers les basses valeurs de q indique une
croissance de la taille moyenne des agrégats.
En présence d’une réaction catalytique ou d’un gaz
adsorbé qui font varier les énergies de surface, les
agrégats métalliques supportés connaissent des
changements de profil d’équilibre et des phénomènes de
mûrissement. La difficulté est d’observer ces évolutions
par une analyse in situ pertinente. Une de ces méthodes
est la diffusion des rayons X aux petits angles. Lors du
stage post-doctoral de Nihed Chaabane (2006), nous
avons observé (en collaboration avec Gilles Renaud)
l’évolution à 300 K d’agrégats Pt/MgO(100) en présence
de pressions partielles de CO comprises ente 1 et 1000 Pa
(portés à 900 K ces mêmes agrégats ne sont pas affectés
par l’oxygène sous des pressions identiques). Il est
supposé que la mobilité du platine en présence de CO est
due à la formation de carbonyles. Un autre système a été
examiné grâce à l’installation que Marie-Claire SaintLager (Institut Néel) a mis au point avec son équipe, qui
permet l’analyse GISAXS in situ et le suivi de la
réactivité. Nous avons étudié à l’ESRF la réactivité
d’agrégats Au/TiO2(110) vis-à-vis de la réaction CO +
O2. Toutes ces données sont en cours de dépouillement.
D'un autre côté, nous nous sommes penchés sur un
système bien plus complexe, Pt/MgO(100), pour lequel
les agrégats peuvent être stabilisés en deux épitaxies
différentes: la (100)//(100), et la bien plus inhabituelle
(111)//(100). Nous avons abordé des questionnements
concernant les facteurs qui pilotent l'énergétique
respective de ces deux types d'interfaces, la stabilité
relative des particules en épitaxies différentes et les
conséquences sur l'évolution de leurs caractéristiques
morphologiques et structurales en fonction de la taille.
Pour la seconde épitaxie, nous avons associé l'origine des
multiples désorientations observées expérimentalement
par les membres du groupe à la spécificité de coïncidence
des réseaux carré et trigonal à l'interface.
Perspectives :
Dans les années à venir, l’étude expérimentale se
concentrera sur la réactivité de particules métalliques
supportées et l’adhésion métal/oxyde, avec le soutien
initial de deux contrats ANR (période 2008-2010) :
-dans le cadre de REACTGOLD (Equipe « Physicochimie des surfaces fonctionnelles », Institut Néel,
SOLEIL, LRS et LCPMR) nous allons étudier (1) le lien
entre la taille, la cristallographie, et la réactivité des
particules d’or vis-à-vis de la réaction d’oxydation de
CO et (2) le mode d’adsorption des espèces réactives.
-le projet MERETHIF (Coordonné par Etienne Barthel –
Participants : SVI (Aubervilliers), LPS (Orsay), LMP
(Poitiers), INSP et Saint-Gobain Recherche) combinera
les études physico-chimique et mécanique de l’adhésion.
Finalement, nous avons étendu notre approche PES vers
la prise en compte efficace de l'effet de la température.
Cette extension, incontournable pour toute modélisation
future de la croissance, nous a permis d'étudier le rôle du
substrat dans les processus tels que la restructuration ou
encore la fusion et la recristallisation des petits agrégats
de Pd supportés. D'une part, nous avons démontré que la
symétrie du substrat est à l'origine d'une avance à la
transformation structurale entre la forme d'icosaèdre
(agrégats de petites tailles) et le polyèdre de Wulff (tailles
plus grandes). D'autre part, nous trouvons que, par
rapport aux agrégats libres, le changement de
morphologie d'agrégat induit par le substrat (polyèdre de
Wulff-Kaishew) est à l'origine d'un retard à la fusion.
Nous avons commencé à développer un code numérique
quantique d’ordre N (CODOX), de type Hartree-Fock,
permettant la simulation multi-échelle de systèmes ionocovalents de basse dimension, de grande taille
(supérieure à ce qu’autorisent actuellement les
approches ab initio). Soutenu par un contrat ANR 2006
(SIMINOX), piloté par J. Goniakowski, ce code nous
permettra d’atteindre une description plus pertinente (en
cas de défauts ou de transferts électroniques
interfaciaux) du substrat d’oxyde, support des agrégats
métalliques qui sont au centre de notre intérêt. Au-delà
des études théoriques des formes d’équilibre des agrégats
métalliques supportés réalisées jusqu’à présent, nous
nous orienterons vers des simulations de croissance.
Réactivité
qz (nm-1)
1 Pa CO à 300K
3) Surfaces et films minces
François Bottin, Petr Cašek, Aline Brunet-Bruneau,
Lucia Carmella, Fabio Finocchi, Jacek Goniakowski,
Nathalie Jedrecy, Jacques Jupille, Karel Kunc, Rémi
Lazzari, Miguel Mantilla, Claudine Noguera
1 monocouche
Pt à 300K
Croissance
Références : [10], [22], [25], [42], [46], [59], [96],
[111], [C10]
qy (nm-1)
77
La physique des couches minces d'oxydes se développe
rapidement, à cause de la richesse structurale et des
propriétés électroniques particulières de ces systèmes aux
dimensions réduites. On attend de la maîtrise des
conditions de préparation qu’elle permette de moduler les
caractéristiques des films alors que l’on peut analyser les
tout premiers stades de la croissance grâce aux avancées
des microscopies et des techniques de diffraction. Dans
ce contexte innovant, nous proposons un effort théorique
pour combler le manque de connaissances dans la
croissance d'oxydes par rapport aux semiconducteurs et
métaux. En effet, la détermination des mécanismes de
diffusion et nucléation ne suffit pas, comme dans les
cristaux élémentaires, pour obtenir des informations
précises sur les régimes de croissance des oxydes.
d'orientation polaire, a été considérée du point de vue
théorique pour sa complexité chimique et l’importance de
ses applications : elle est utilisée comme substrat pour la
croissance de films de supra-conducteurs à haute Tc, et
dans la préparation de dispositifs à haute fréquence. Le
débat sur sa structure atomique n'est pas tranché. Les
expériences suggèrent plusieurs terminaisons distinctes,
parfois conductrices. Le travail systématique effectué lors
de la thèse de François Bottin a fourni un diagramme de
phase des terminaisons (1x1) en fonction des potentiels
chimiques et confirmé la compétition entre terminaisons
de diverses compositions. Il est prédit que la polarité est
compensée par des reconstructions (1xn) avec des
facettes (100) de terminaison TiO2 ou SrO. Un résultat
non trivial est que, d'un point de vue thermodynamique,
la terminaison (110)-Sr est stabilisée par la reconstruction
(1xn) alors que (110)-O est déstabilisée. De nombreuses
perspectives sont ouvertes : étude des surfaces à facettes
SrTiO3(m10), question de la faible polarité des
terminaisons (100) (sujet de stage de thèse d'état de Nadia
Iles, Algérie), croissance en épitaxie de semiconducteurs
sur SrTiO3 (en collaboration avec l’équipe « Couches
minces et nanostructures hybrides » ).
Une première étude a été celle de la croissance homoépitaxiale de MgO(001) (collaborations avec le CEMES
(Toulouse) et le LSI (Palaiseau)). Nous avons analysé
plusieurs configurations d'adsorption de O, Mg et des
molécules MgO, MgO2 et O2 sur les terrasses (001) et
près des marches, ainsi que la structure et la cohésion
d'agrégats MgnOm supportés. Si l'atome Mg se physisorbe
et évapore facilement des terrasses planes, l'atome O se
lie fortement pour former des groupes peroxo de surface,
et sa très faible diffusion est sensible à sa polarisation de
spin. L'oxygène moléculaire ne se lie à la surface que
grâce aux défauts de stoechiométrie. Les réactions de
surface représentent donc une contribution importante à
la croissance. Les marches peuvent renverser la cinétique
de diffusion des espèces par rapport aux terrasses planes
et devraient dominer la croissance aux températures
caractéristiques du dépôt des oxydes réfractaires.
Vues de dessus et de côté de surfaces
MgO(111)-p(2x2) : à gauche, reconstruction
octopolaire-O, BT ; à droite, terminaison
Mg/OMg avec des atomes Mg A, B et C
inéquivalents (transfert de charge), HT.
La face MgO(111), longtemps considérée comme une
orientation qui n’existe pas, apparaît pourtant stable dans
les conditions ambiantes. Entre 100 K et 450 K, la
coexistence de deux reconstructions de symétrie (2x2)
liées à l’environnement chimique est montrée par
diffraction. Les modélisations fondées sur la
compensation formelle de la charge sont en désaccord
avec l’expérience. La structure trouvée repose en partie
sur un transfert de charge. C’est un mélange variable
d’une terminaison OMg3O4 dite octopole terminée par
l’oxygène (structure BT, environnement riche en
oxygène) et d’une terminaison Mg/OMg, de composition
Mg3O4, qui inclut des atomes de Mg inéquivalents (HT).
Ce résultat original, qui ne pouvait être trouvé isolément
ni par l’expérience ni par le calcul, ouvre des perspectives
quant à la compréhension générale des terminaisons
polaires. Un modèle similaire a été appliqué aux données
relatives à la surface NiO(111)-p(2x2) dans une revue
soumise qui porte sur la stabilité des surfaces (polaires)
en fonction de l’environnement chimique (Antoine
Barbier, Andreas Stierle et Jacques Jupille, « Stability
and stoichiometry of (polar) oxide surfaces with respect
to the oxygen chemical potential »).
Agrégat Mg4O3/MgO(001) (O en rouge, Mg en
bleu) :l’état occupé de plus haute énergie rend
le site Mg très réactif et fixe O2 ou MgO2 vers
la croissance d'une terrasse MgO.
Une modélisation théorique des excitations électroniques
des surfaces d'oxydes a été effectuée lors de la première
partie de la thèse de Lucia Caramella, co-dirigée par F.
Finocchi et G. Onida (Milan), en collaboration avec
Lucia Reining (Ecole Polytechnique). Compte tenu de la
lourdeur des calculs d'états excités, une méthode originale
a été mise au point pour rendre plus efficace le calcul ab
initio de la fonction réponse optique rapportée à la
fréquence et modéliser des ensembles de plusieurs
dizaines d'atomes. L'application à la variation de la
réflectivité de surface lors de l'oxidation de la surface
Si(001)-(2x1) a confirmé les potentialités de cette
approche pour traiter des surfaces réalistes.
Reconstruction et facettage de surfaces polaires
Films minces polaires
Références : [2], [20], [27], [53], [113], [C1]
Références : [32], [98], [107]
Il est attendu que les orientations polaires des cristaux
massifs se reconstruisent pour produire des terminaisons
non-polaires stables. La face (110) de SrTiO3,
Les couches d’orientation polaire sont un cas particulier
qui couple plusieurs questions fondamentales spécifiques
78
aux oxydes. Effectivement, dans les systèmes d’épaisseur
finie, contrairement aux surfaces mono-cristallines semiinfinies, on peut anticiper que les effets électrostatiques
sont moins forts et que l’instabilité liée au moment
dipolaire d’un empilement de couches chargées est plus
facile à guérir. Par une analyse détaillée de l’évolution
des propriétés électroniques et structurales des couches
ultra-minces de MgO(111) libres et supportées sur de
l’argent, nous avons démontré que, pour les épaisseurs les
plus faibles, une transition structurale dans la couche est
le moyen le plus efficace de compensation de la polarité
et nous avons ainsi pu ré-interpréter un résultat
expérimental récent obtenu dans une équipe japonaise.
L’apparition d’une structure graphitique inattendue dans
les couches dont la structure habituelle est celle du NaCl
(cas du MgO ou du NaCl) ou wurtzite (cas de ZnO),
suggère que ce mécanisme nouveau et spécifique aux
objets oxydes de tout petite taille peut être à l’origine de
la stabilisation de phases cristallographiques artificielles
sans équivalent à l’échelle volumique. Nous avons aussi
pu prédire l’existence d’un régime particulier faible
épaisseur, dans lequel les couches polaires peuvent
exister sans que leur polarité soit compensée, et jeter des
premières bases conceptuelles sur les mécanismes qui
déterminent l’existence de ce régime et qui pilotent les
particularités électroniques des couches à très faible
épaisseur. Ces concepts et résultats récents sont partie
d’un article de revue Polarity of oxide surfaces and nanostructures, soumis (100 pages) co-rédigé par Jacek
Goniakowski, Fabio Finocchi et Claudine Noguera.
a
statique et la dynamique, un couplage jamais généralisé
aux oxydes qui fait l’objet d’une thèse co-dirigée avec M.
Hayoun (LSI).
Au-delà de nos premières études de films ultra-minces
polaires, qui ont traité de films stœchiométriques et nonsupportés, l’utilisation de méthodes ab initio ou du
nouveau code CODOX vont nous permettre
d’approfondir notre compréhension des effets de polarité
dans les nano-objets (films ou agrégats selon les
conditions de croissance), en incluant le rôle de
l’environnement (pression partielle d’oxygène, nonstœchiométrie) et celui du substrat.
L’observation de films MgO/Ag(111) par STM ouvre une
voie prometteuse à l’étude expérimentale de la stabilité
de films d’orientation polaire. Un couplage étroit entre
théoriciens et expérimentateurs de l’équipe sera
maintenu pour définir en commun les objets d’étude. Le
grand défi est ici la synthèse de films minces supportés
d’orientation polaire et la proposition d’une appproche
unifiée théorie/expérience.
4) Oxydes à propriétés particulières
Ait Salah Atmane, Philippe Depondt, Abdelwahab
Ghazali, Nathalie Jedrecy, Christian Julien, Karel Kunc,
Claudine Noguera
Matériaux d’électrodes
Références : [30], [34-41], [61-93], [116-123]
Les matériaux d’électrode positive des accumulateurs
ion-lithium ont été activement étudiés tant du point de
vue des propriétés structurales que des propriétés
électrochimiques afin de définir des relations
structure/réaction d’insertion des ions Li+. Ce sont des
oxydes des métaux de transition tels que les composés
lamellaires LiNiyMnyCo1-2yO2 et les phosphates
LiFeyMn1-yPO4. Notre effort a été porté principalement
sur le matériau nano-structuré LiFePO4. Ce dernier est
considéré comme le matériau de la prochaine génération
des batteries ion-Li pour les véhicules électriques
hybrides.
L’optimisation
des
caractéristiques
électrochimiques passe par un contrôle sévère des
conditions de synthèse hydrothermale et l’encapsulation
des grains par un film de carbone d’épaisseur inférieure à
5 nm. Un tel défi technologique a été réalisé en
collaboration avec l’Institut d’Hydro-Québec et la société
Phostech Lithium Inc. (Canada).
Ag(111)
MgO/Ag(111)
100 nm
b
10 nm
10 nm
Images STM : (a) Ag(111) ; (b) MgO/Ag(111).
Au cours du travail de thèse de Miguel Mantilla, des
substrats ont été analysés avec la résolution atomique et
des résultats très prometteurs quant à l'existence de
structures métastables polaires de MgO(111) viennent
d'être obtenus avec l'appareillage de microscopie tunnel
(STM) lors de l'oxydation de couches atomiques de
magnésium déposées sur substrat Ag(111). Un manuscrit
est soumis. Ce travail est soutenu par le projet ANR
DIMANO (période 2005-2009, coordonné par David
Martrou (CEMES) et incluant le LPN et le CRHEA).
Perspectives : Le code numérique quantique d’ordre N
CODOX, en cours de développement grâce à l’ANR
SIMINOX, ouvre la porte à une description réaliste des
reconstructions de grande taille des surfaces d’oxydes,
des interfaces métal-oxydes incohérentes, de l’oxydation
de surfaces, de la forme d’équilibre et de la croissance de
nano-objets isolés ou supportés.
Un obstacle essentiel à l’étude théorique de la croissance
de MgO est que les temps typiques vont bien au-delà des
possibilités des simulations ab initio. Les informations ab
initio ont été intégrées dans des simulations Monte Carlo
cinétiques (KMC) prenant en compte la description
Particule de LiFePO4 encapsulée par le carbone.
Nous avons mis au point un protocole pour la
détermination des défauts structuraux intrinsèques et
79
extrinsèques de LiFePO4 en combinant des mesures de
spectroscopie optique (Raman et infrarouge) et des
mesures magnétiques (susceptibilité et magnétisation).
Des résultats originaux ont été obtenus sur le rôle
réducteur des hydrocarbures produits lors de la
décomposition des précurseurs de synthèse de LiFePO4.
Par ailleurs, nous mis en évidence un effet polaronic
déterminant pour comprendre les mécanismes de
transport électronique et ionique. L’optimisation des
matériaux d’électrodes fonctionnant à 60 °C a montré que
le rendement faradique de LiFePO4 pouvait atteindre 160
mAh/g soit 94% de la valeur théorique.
les rapports des constantes de réseau b/a, c/a – en
fonction de volume. L’évaluation des enthalpies H = E
+ PV a alors permis alors de confirmer l’anti-cotunnite
comme la phase de haute pression, d’obtenir la pression
de transition Pt = 36.9 GPa, et la contraction de volume à
la transition : Δ V = -5.3 %. A part les questions
structurelles nous nous sommes également penchés sur
des propriétés vibratoires : les fréquences des phonons
actifs en Raman furent déterminées (par la méthode des
phonons figés), en fonction de pression – dans la
perspective de l’utilisation des phonons comme sonde
pour identifier la structure, estimer la pression et observer
l’approche de la transition. D’autres systèmes sous haute
pression et, plus largement, des propriétés de l’état solide
ont aussi été étudiés.
Oxydes de lithium
Références : [4], [5], [6], [14], [29], [31], [54], [56],
[58], [60], [95]
Surfactants et les films des alliages III-V
Références : [3], [17], [55], [123]
Les oxydes de la classe LiXO2 (X = V, Co, Ni) se font
remarquer par leur conductivité ionique, leur propriété la
plus appréciée dans les applications. Ces oxydes
permettent un détachement réversible, puis la réinsertion,
des atomes de Li, ce qui les prédestine à la construction
des batteries rechargeables. Dans cette classe, c’est le
LixCoO2 qui réalise les densités d’énergie les plus élevées
et qui est utilisé lorsque l’on cherche à diminuer le poids :
ordinateurs portables, téléphones cellulaires. Nous avons
étudié ab intio la phase ‘’lamellaire’’ de LiCoO2
(rhomboédrique, R3m) – la modification la plus stable du
composé complètement ‘’lithié’’ (x=1) – en parallèle
avec une étude expérimentale. Nous avons reproduit les
variations avec la pression des paramètres structuraux a,
c, z et déterminé l’équation d’état P(V) en utilisant les
deux approximations LDA et GGA, car les résultats
expérimentaux existants se situent entre les deux
prédictions (bracketing).
Allier deux semi-conducteurs et varier la composition est
un procédé bien connu de la préparation des matériaux
avec une bande interdite ‘’à la demande’’. Plus
récemment l’existence d’un autre mécanisme a été mise
en évidence : le réglage fin du gap électronique Eg par le
contrôle du désordre structurel de l’alliage. Or, le degré
de l’ordre ou désordre d’un alliage peut être influencé par
l’ajout de surfactants au cours de la croissance. Nous
avons étudié systématiquement l’énergétique du désordre
dans six alliages ternaires III-V avec et sans surfactants
(éléments testés : Sb, Bi, As, P). Notre démarche repose
sur l’évaluation de l’énergie totale des couches, dans la
cas de couches minces de composition est proche de
50/50. Pour la structure ordonnée nous supposons
l’arrangement CuPt-B. Pour les surfaces reconstruites
nous adoptons la géométrie (2x4). Tous les calculs se font
sur de supermailles périodiques (100 atomes et ~ 1 nm de
vide) relaxées. La sensibilité du système vis-à-vis du
désordre est sondée en échangeant deux cations (anions)
du sous-réseau cationique (anionique) – avec ou sans
surfactant. La question posée est alors si, et comment, le
surfactant modifie la propension de l’alliage au désordre.
Nous avons aussi déterminé les fréquences des phonons
figés en fonction de la pression, pour les deux modes
actifs en Raman (A1g et Eg). L’accord avec l’expérience
est excellent pour la ‘’limite’’ LDA, dans toute la région
des pressions considérées (jusqu'à 26 GPa). En étudiant
les forces de rappel pertinentes pour ces deux phonons,
nous avons mis en évidence une forte anharmonicité des
deux modes. Dans le cas Eg celle-ci se manifeste moins
par la non-linéarité de la variation Fy(uy) que par
l’apparition des composantes Fx, Fz perpendiculaires au
déplacement. Ce comportement rappelle celui que nous
avons précédemment constaté dans l’antimoine (Sb), le
représentant le plus simple de cette même classe R3m, et
il n’est pas impossible qu’il soit caractéristique de la
structure rhomboédrique en général.
Dans le cas de l’alliage (In,Ga)P le coût énergétique de
l’échange In – Ga (pour lequel nous obtenons ΔE = 0.61
eV/paire) se réduit presque à zéro en présence de dépôt
de Sb ou Bi. Par contre, en déposant As, on trouve que le
ΔE reste pratiquement inchangé. Ces expériences
numériques permettent de comprendre les observations
expérimentales qui ont mis en évidence les Sb et Bi
comme des ‘’stimulants de désordre’’ dans (In,Ga)P,
tandis qu’aucun effet notable n’a été constaté avec As.
Nous avons appliqué cette méthodologie aux alliages
(In,Ga)As, Ga(As,P), In(As,P), Ga(As,Sb) et In(As,Sb),
et identifié quels ingrédients (Sb, Bi) agissent et sur quels
alliages : il en résulte 6 recommandations et 5
avertissements que nous adressons à la technologie des
composantes optoélectroniques.
Une autre classe intéressante des oxydes de lithium est la
série LiO2, Li2O2 et Li2O. Le dernier, également connu
comme lithia, présente en particulier un intérêt pour la
construction des (futurs) réacteurs à fusion : le verre
(SiO2,Li2O) absorbe les neutrons (= le manteau de
réacteur). Dans les conditions normales, Li2O se présente
sous forme cubique (structure antifluorite), et les
expériences récentes ont mis en évidence une transition
de phase vers la structure de l’anti-cotunnite
(orthorhombique). Les données expérimentales souffrent
toutefois de deux faiblesses : 1) La plupart des
paramètres cristallographiques ‘’internes’’ de la phase de
haute pression manquent. 2) La pression de transition Pt
n’est pas connue avec précision (33 à 53 GPa). Dans le
présent travail théorique, nous avons vérifié les
affirmations expérimentales, puis fourni les données
manquantes, en particulier les paramètres structurels
‘’internes’’ de la phase anti-cotunnite (6 paramètres) et
Comme des alliages sont souvent préparés sur des
substrats différents, nous avons également examiné le
rôle joué par des contraintes dans la suppression de
l’ordre – un sujet controversé. Nous montrons que les
contraintes jouent un rôle négligeable dans les
phénomènes d’ordre ou de désordre. En d’autres termes,
le substrat compte peu pour l’imposition du désordre.
Dans le contexte de la croissance des couches d’alliages
par la MBE, nous avons également évalué l’énergie de
surface en fonction des potentiels chimiques et construit
les diagrammes de phase qui identifient les régions dans
lesquelles la croissance des couches recouvertes de
80
surfactant est favorisée. En marge de ce projet nous avons
aussi calculé les images STM de la surface.
Heisenberg + dipôle-dipôle). Pour éviter la dérive de la
norme des spins (intégration standard des équations), la
précession d'un spin autour du champ local est écrite
explicitement à l'aide d'une matrice de rotation dite de
Rodrigues, ce qui conserve les normes et évite des
renormalisations toujours problématiques. La température
est contrôlée par une dynamique de Langevin. À une
phase de validation soigneuse dans le cas du modèle de
Heisenberg (nous obtenons la transition de phase et les
courbes de dispersion attendues), a succédé un travail
d'exploration des structures obtenues avec interactions
dipolaires pour des réseaux carrés 64x64 à bords libres
(figure) et d'analyse des courbes de dispersion complexes
produites. Les superstructures observées donnent des
courbes à première vue complexes qui s'expliquent
toutefois par des phénomènes de repliement de la zone de
Brillouin : une fois la structure connue, un calcul de
matrice dynamique en reproduit les principales
caractéristiques (en collaboration avec Franz Mertens,
Physikalisches Institut, Bayreuth).
Dopage
Référence : [9]
De nombreux oxydes de métaux de transition présentent
des comportements magnétiques spécifiques. De larges
perspectives sont ouvertes concernant leur intégration à
des dispositifs électroniques basés sur le transport résolu
en spin des charges. La communauté “ spintronics ”
(filtrage et guidage des électrons par leur spin) s'est en
particulier intéressée à l’oxyde ZnO dilué avec un métal
de transition, par exemple à Zn1-xCoxO. L'idée maîtresse
est de moduler les propriétés magnétiques en jouant sur
la concentration des cations magnétiques. Notre étude par
Résonance Paramagnétique Electronique (RPE) (en
collaboration avec Jean-Louis Cantin et Jurgen von
Bardeleben) fut la première à être conduite par une
technique sensible à la configuration électronique des
cations magnétiques, sur des couches ayant crû sur ZnO.
En l'absence de co-dopage et pour une qualité
cristalline/chimique optimale des couches, les ions Co2+
sont uniformément répartis sur les sites substitutionnels
des ions Zn2+ de la structure mère ZnO. L'évolution des
raies de transition RPE en fonction de l'orientation du
champ magnétique a permis d'identifier des ions Co2+ en
site tétraédrique distordu. Pour une concentration de
l'ordre de 8%, les moments magnétiques portés par les
ions ne sont pas couplés, et les couches ont un
comportement paramagnétique au-dessus de 10 K. Un
faible ferromagnétisme est détecté au-dessous de 10 K,
associé à un comportement anisotrope. D'autres couches
au comportement apparent ferromagnétique au-dessus de
300K ont aussi été analysées. Ces couches sont
polycristallines et le ferromagnétisme semble dû à des
nano-inclusions de cobalt métallique ou d'oxyde de
cobalt.
Effet d’épaisseur
Référence : [94]
Par des approches de type champ moyen et Monte Carlo,
nous avons obtenu le diagramme de phase et les
températures critiques de l’Hamitonien d’Ising, avec
interactions directes Jd entre premiers voisins et
interactions d’échange Jse entre seconds voisins, pour des
couches minces de structure fcc(100) d’oxydes de la
première série de transition, tels que VO, MnO et NiO
(en collaboration avec W.C. Mackrodt, dans le cadre d’un
programme de coopération franco-britannique Alliance).
Dans le régime où Jse > 0, pertinent pour MnO et NiO,
les deux approches prédisent un comportement bi-critique
pour les ordres antiferromagnétiques AF2 et AF3 dans
des films contenant un nombre impair de couches
(supérieur à 1) et un comportement critique simple si le
nombre de couches est pair, et ce, même lorsque les
interactions Jd et Jse sont supposées indépendantes de
l’environnement des atomes. Par ailleurs, la phase
ferromagnétique a un comportement critique simple
depuis la monocouche jusqu’à la limite macroscopique.
Lorsque la valeur du rapport x = Jd/Jse est proche de
celle prédite par des calculs ab initio pour NiO ou de
celle dérivée de spectres de magnons, la variation avec
l’épaisseur de la température critique obtenue par
simulation Monte Carlo est semblable à celle décrite par
l’équipe de Groningen [Alders et al, Phys. Rev. B 57,
11623 (1998)] pour NiO(100) en épitaxie sur MgO(100),
via des mesures de spectres d’absorption X en
polarisation linéaire.
Ordre magnétique
Références : [1], [11], [15], [19], [57], [97], [112]
Seuils d’absorption
Des études de seuils d’absorption ont été menées en
collaboration avec une équipe de SOLEIL et le LRRS
(Dijon) dans le but de caractériser la structure
électronique des oxydes par les spectroscopies
résonnantes au seuil des éléments constitutifs des oxydes.
Structures obtenues avec interactions dipolaires
pour des réseaux carrés 64x64 à bords libres
Nous tentons de simuler des aimants bi-dimensionnels de
taille nanométrique qui présentent des interactions
fortement non-linéaires. Si le modèle XY de Heisenberg
est bien connu, l'introduction d'interactions dipôle-dipôle
peut entraîner des effets de structurations spontanées
assez complexes. Nous résolvons les équations classiques
de dynamique de spin de Landau-Lifshitz dsi/dt = -siHi
(Hi est le champ local vu par le spin si, qui est égal à la
somme des champs dus à tous les autres spins :
Perspectives : Du fait de l’évolution de nos programmes
de recherche, trois des thématiques présentée dans ce
chapitre seront étudiées dans les années à venir : les
matériaux d’électrodes et l’ordre magnétique. Les idées
relatives au dopage et aux effets d’épaisseur seront
éventuellement reprises lors d’études relatives aux films
minces. On peut penser en particulier à des couches
minces d'oxyde analysées par STM et RPE.
81
En ce qui concerne l’orde magnétique à deux dimensions,
nous disposons donc maintenant d'un outil numérique sûr
et efficace qui peut être progressivement adapté à l'étude
de couches minces magnétiques plus réalistes.
82
Publications
[1].
«Indirect exchange in (Ga,Mn)As bilayers
via the spin-polarized inhomogeneous hole
gas».; Boselli. M. A., da Cunha Lima I. C.,
Ghazali A. ; Phys. Rev ; B 68 ; 085319 ;
2003
[2].
“Stability and electronic structure of the
(1x1) SrTiO3 (110) polar surfaces by firstprinciples calculations “; Bottin F,
Finocchi
F,
Noguera
C;
Phys. Rev. B; 68 ; 035418 ; 2003
[3].
«Atomic ordering in In_x Ga_1-x As alloy
thin films: Action of surfactants».;
Chakrabarti A., Kunc K. ; Phys. Rev. B ;
68 ; 045304 / 1-5 ; 2003
[4].
«Equation of state and phonon frequency
calculations of diamond at high
pressures».; Kunc K., Loa I., Syassen K. ;
Phys. Rev. B ; 68 ; 094107 / 1-9 ; 2003
[5].
«First-principles determination of the
relative stability of the alpha- and Cmcm
structures of AlPO4».; Ramaniah L. M.,
Sharma S. M., Kunc K., Garg N., Laghate
M. ; Phys. Rev. B ; 68 ; 014119/ 1-7 ;
2003
[6].
«MgB2 and AlB2 at high pressures».;
Loa I., Kunc K., Syassen K. ; High Press.
Res.; 23 ; 129-134 ; 2003
[7].
«Real-time monitoring of growing nanoparticles».; Renaud G., Lazzari R.,
Revenant C., Barbier A., Noblet M.,
Ulrich O., Leroy F., Jupille J.,
Borensztein Y., Henry C.R., Deville J. P.,
Scheurer F., Mane-Mane J. et Fruchart O.;
Science ; 300, 1416 ; 2003
[8].
«Electron-energy-loss
channels
and
plasmon confinement in supported silver
particles»; Lazzari R., Jupille J.,
Layet J. M.; Phys. Rev. B; 68, 045428;
2003
[9].
«Electron paramagnetic resonance study
of Zn1-xCoxO: a predicted hightemperature
ferromagnetic
semiconductor »; Jedrecy N., Von
Bardeleben J., Zheng Y., Cantin J-L. ;
Phys. Rev. B ; 69 ; 041308 (R) ; 2004
[10].
«SrTiO3(001) thin films on MgO(100) : a
theoretical study»; Casek P., BouetteRusso S, Finocchi F., Noguera C.; Phys.
Rev. B ; 69 ; 085411 ; 2004
[11].
«Synthetic view of two-dimensional
aggregation».; Ghazali A., Lévy J-Cl.. S.;
Phys. Rev. E ; 69 ; 061405 ; 2004
[12].
«Apparatus for real time in situ
quantitative
studies
of
growing
nanoparticles by Grazing Incidence Small
Angle X-ray Scattering and Surface
Differential Reflectance Spectroscopy»;
Renaud G., Noblet M., Ulrich O.,
Lazzari R.; Nucl. Inst. Meth. B ; 222 ;
667 ; 2004
[13].
[14].
« Effects of near-neighbor correlations on
the diffuse scattering from a onedimensional paracrystal»; Leroy F.,
Lazzari R., Renaud G.; Acta. Cryst. A;
60 ; 565-581 ; 2004
«Diamond under pressure: Ab-initio
calculations of the equation of state and
optical phonon frequencies revisited»;
Kunc K., Loa I., Syassen K. ; High Press.
Res.; 24 ; 101-110 ; 2004
83
[15].
«Effect of spin-polarized subbands in the
inhomogeneous hole gas providing the
indirect exchange in GaMnAs bilayers».;
Boselli M.A, da Cunha Lima I.C. et
Ghazali A., J. Magn. Magn. Mat. ; 272276 ; 352 ; 2004
[16].
«Stoichiometry-related Auger lineshapes
in titanium oxides: Influence of valenceband profile and of Coster-Kronig
processes»; Le Fèvre P. ,Danger J.,
Magnan H., Chandesris D., Jupille J.,
Bourgeois S.,Arrio M. A., Gotter R.,
Verdini A., Morgante A. ; Phys. Rev. B. ;
69 ; 155421-1/9. ; 2004
[17].
«Effect of strain on atomic ordering and
action of surfactants in ternary alloy thin
films»; Chakrabarti A., Kunc K. ; Phys.
Rev. B ; 70 ; 085313-1/5 ; 2004
[18].
«Electronic states and Schottky barrier
height at metal/MgO(100) interfaces»;
Goniakowski J., Noguera C.; Interf. Sci.;
12 ; 93; 2004
[19].
«Ferromagnetism in the metallic phase of
(Ga,Mn)N
nanostructures»;
Boselli M. A.,Da
Cunha Lima I. C.,
Leite J. R.,Troper A., Ghazali A. ; Appl.
Phys. Lett. ; 84 ; 1138 ; 2004
[20].
«First-principles study of complex oxide
surfaces and interfaces»; Noguera C.,
Finocchi F., Goniakowski J. ; J. Phys.
Cond. Matt.; 16 ; S2509-S2537.; 2004
[21].
«Interpretation of absorption edges by
resonant
electronic
spectroscopies:
experiment and theory».; Le Fèvre P.,
Magnan H., Chandesris D., Jupille J.,
Bourgeois S., Drube W., Ogasawara H.,
Uozumi T., Kotani A. ; J. Electron Spectr.
Relat. Phenom. ; 136 , 34-47 ; 2004
[22].
«Investigating bonding in small silicon-carbon clusters: Exploration of the
potential energy surfaces of Si4C3, Si3C4,
and Si4C4 using ab initio molecular
dynamics»; Bertolus M., Finocchi F. and
Millié P. ; J. Chem. Phys.; 120 ; 4333.;
2004; et J. Chem. Phys. ; 120 ; 10853 ;
2004
[23].
«Non-ractive metal-oxide interfaces: from
model calculations towards realistic
simulations»; Mottet C., Goniakowski J.,
Noguera C.; Highlight in PsiK Newsletter;
62 ; 85-112 ; 2004
[24].
«Nucleation of Pd dimers at defect sites of
the MgO(100) surface»; Giordano L., Di
Valentin C., Goniakowski J., Pacchioni
G.; Phys. Rev. Lett. ; 92 ; 096105 ; 2004
[25].
«Pseudopotential PlaneWaves - Projector
Augmented Waves : a primer»; Gonze X.,
Finocchi F. ; Physica Scripta T ; 109 ; 40 ;
2004
[26].
«Quantitative
analysis
of
grazing
incidence small angle X-ray scattering»;
Revenant C., Leroy F., Lazzari R., Renaud
G., Henry C.R. ; Phys. Rev. B ; 69 ;
036411 ; 2004
[27].
«Stability of rocksalt (111) polar surfaces:
beyond the octopole»; Finocchi F, Barbier
A., Jupille J., Noguera C.; Phys. Rev.
Lett.; 92 ; 136102 ; 2004
[28].
«Structure of titanium buffer layers on αAl2O3(0001) »; Sondergard E., Kerjan O.,
Barreteau C., Jupille J. ; Surf. Sci.; 559 ;
131-140 ; 2004
[29].
«Structure-energy
relations
in
methylcobalamin with and without bound
axial base»; Rovira C., Biarnes X., Kunc
K. ; Inorg. Chem. ; 43, 6628-6632 ; 2004
[44].
«Flat-top silver nanocrystals on the two
polar faces of ZnO: an all angles x-ray
scattering investigation»; Jedrecy N.,
Renaud G., Lazzari R., Jupille J.; Phys.
Rev. B ; 72 ; 045430 ; 2005
[30].
«Synthesis and characterization of
materials for rechargeable lithium microbatteries»; Camacho-Lopez M.A., HaroPoniatowski E., Escobar-Alarcon L.,
Julien C.; Superficies y Vacio ; 17 ; 7 ;
2004
[45].
«Hard
x-ray
resonant
electronic
spectroscopy in transition-metal oxides»;
Le Fèvre P., Magnan H., Chandesris D.,
Jupille J. et al.; Nucl. Inst. Meth. A ; 547 ;
176-186 ; 2005
[31].
«The ‘in between’ site of sodium on
TiO2(110) »; Lagarde P., Flank A.M.,
Prado R., Bourgeois S., Jupille J. ; Surf.
Sci. ; 553 ; 115-125 ; 2004
[46].
«Adsorption and diffusion of Mg, O, and
O2 on the MgO(001) flat surface»;
Geneste G., Morillo J. and Finocchi F. ;
J. Chem. Phys.; 122 ; 174707 ; 2005
[32].
«Using polarity for engineering oxide
nanostructures: structural phase diagram in
free and supported MgO ultra-thin films»;
Goniakowski J.,. Giordano L. and
Noguera C. ; Phys. Rev. Lett.; 93 ;
215703 ; 2004
[47].
«Atomistic simulation of Ag thin films on
MgO(100) substrates: A template substrate
for
heterogeneous
adsorption»;
Ouahab A., Mottet C., Goniakowski J.;
Phys. Rev. B ; 72 ; 035421 ; 2005
[33].
«Water
dissociation
on
defective
MgO(100) surfaces: role of divacancies»;
Ealet B., Goniakowski J., Finocchi F. ;
Phys. Rev. B ; 69 ; 054419 ; 2004
[48].
«Melting of metallic nanoclusters:
alloying and support effects»; Mottet C.,
Goniakowski J., Rossi G., Ferrando R.,
Baletto F.; Ann. Chim. Sci. Mat.; 30 ; 303313 ; 2005
[34].
«Lattice vibrations of manganese oxides.
I. Periodic structure»; Julien C.M.,
Massot M.
and
Poinsignon
C.,
Spectrochim. Acta ; 60 ; 689 ; 2004
[49].
[35].
«Lattice vibrations of materials for lithium
rechargeable batteries. II. Lithium
extraction-insertion in spinel structures»;
Julien C.M. and Camacho-Lopez M.A.,
Mater. Sci. Eng. B; 108 ; 179 ; 2004
«Formation of Pd dimers at regular and
defect sites of the MgO(100) surface:
Cluster model calculations»; Giordano L.,
Di
Valentin
C.,
Pacchioni
G.,
Goniakowski J. ; Chem. Phys. ; 309 ; 41 ;
2005
[50].
«Evidence for emission and transfer of
energy from excited edge sites of MgO
smokes
by
photoluminescence
experiments»; Hacquart R., Krafft J.M.,
Costentin G., Jupille J.; Surf. Sci. ; 595 ;
172 ; 2005
[51].
«Self-Organized Growth of Nanoparticles
on a Surface Patterned by a Buried
Dislocation Network»; Leroy F., Renaud
G., Letoublon A., Lazzari R., Mottet C.,
Goniakowski J. ; Phys. Rev. Lett. ; 95 ;
185501 ; 2005
[52].
«Unstrained islands with interface
coincidence sites versus strained islands:
x-ray measurements on Ag/ZnO»;
Jedrecy N., Renaud G., Lazzari R.,
Jupille J.; Phys. Rev. B ; 72 ; 195404 ;
2005
[53].
«Facetting and (nx1) recontructions of
surfaces»;
Bottin
F.,
SrTiO3(110)
Finocchi F., Noguera C. ; Surf. Sci. ; 574 ;
65 ; 2005
[54].
«Li2O at high pressures: structural
properties,
phase-transitions,
and
phonons»; Kunc K., Loa I., Grzechnik A.,
Syassen K.; Phys. Status Solidi (b) ; 242 ;
1857-1863 ; 2005
[55].
«Local structure and redox energies of
lithium phosphates with olivine- and
Nasicon-like structures»; Ait Salah A.,
Jozwiak P., Garbarczyk J., Benkhouja K.,
Zaghib K., Gendron F. and Julien C.M.;
J. Power Sources ; 140 ; 370 ; 2005
«Surfactant favored disorder
in (001)oriented CuPt-ordered AIII(BV,CV) alloy
thin films: Action of Sb and Bi»;
Chakrabarti A., Kunc K.; Phys. Rev. B ;
72 ; 045342 – 1/6 ; 2005
[56].
[42].
«First-principles study of oxygen-deficient
SrTiO3/MgO(001) interfaces»; Casek P,
Finocchi F, Noguera C; Phys. Rev. B ; 72 ;
205308 ; 2005
«Core-energy levels of Sc and N, and their
variation with coordination number in
ScN».; Simunek A., Vackar J., Kunc K.;
Phys. Rev. B ; 72 ; 045110 – 1/4 ; 2005
[57].
«Solid-liquid transition in 2D dipolar
systems»; Ghazali A., Lévy J-C..S;
Europhys. Lett. ; 74 ; 355 ; 2005
[43].
«Wetting and interfacial chemistry of
metallic films on the hydroxylated αAl2O3(0001) surface»; Lazzari R.,
Jupille J.; Phys. Rev. B ; 71 ; 045409 ;
2005
[58].
« Effect of pressure on the first-order
Raman intensity in semiconductors»;
Trallero-Giner C., Kunc K., Syassen K.,
Phys. Rev. B; 72 ; 205202 – 1/6 ; 2005
[36].
[37].
[38].
[39].
[40].
[41].
«On the growth mechanism of pulsedlaser deposited vanadium oxide thin
films»; Ramana C.V., Smith R.J.,
Hussain O.M. and Julien C.M., Mater.
Sci. Eng. B; 111 ; 218 ; 2004
«Structure studies of Li4/3Me5/3O4 (Me=Ti,
Mn) electrode materials: local structure
and electrochemical aspects»; Julien C.M.,
Massot M. and Zaghib K., J. Power
Sources ; 136 ; 72 ; 2004
« Influencia de la sintesis y del grado de
dopaje en las propiedates morfologicas,
estructurales y electroquimicas de oxidos
LiCo1-xMxO2 (M=Ni, Al, Mg) »; CastroGarcia S., Senaris-Rodriguez M.A.,
Castro-Couceiro A. and Julien C., Bol.
Soc. Esp. Ceram. V.; 43 ; 780 ; 2004
«Electrochemistry and local structure of
nano-sized Li4/3Me5/3O4 (Me=Ti, Mn)
spinels»; Julien C.M. and Zaghib K.,
Electrochim. Acta ; 50 ; 411 ; 2004
«Growth and surface characterization of
V2O5 thin films made by pulsed laser
deposition»; Ramana C.V., Smith R.J.,
Hussain O.M. and Julien C.M., J. Vac.
Sci. & Technol A; 22 ; 2453 ; 2004
84
[59].
«Oxygen-induced symmetrization and
structural coherency in Fe/MgO/Fe(001)
magnetic tunnel junctions»; Tusche C.,
Meyerheim H. L., Jedrecy N., Renaud G.,
Ernst A., Henk J., Bruno P., Kirschner J.;
Phys. Rev. Lett.; 95 ; 176101 ; 2005
[73].
«Reduction Fe3+ of impurities in LiFePO4
from pyrolysis of organic precursor used
for carbon deposition»; Salah A.A.;
Mauger A., Zaghib, K., Julien C.; J
Electrochem. Soc.; 153 ; A1692-701 ;
2006
[60].
«Effect of pressure on structural properties
and Raman modes of LiCoO2»; Wang X.,
Loa I., Kunc K., Syassen K.,
Amboage M.; Phys. Rev. B ; 72 ; 224102
– 1/8; 2005
[74].
«Characterization of the carbon coating
onto LiFePO4 particles used in lithium
batteries»; Julien C.M., Zaghib K.,
Mauger A., et al; J. Appl. Phys.; 100 ;
63511-1-7 ; 2006
[61].
«Correlation between growth conditions,
microstructure and optical properties in
pulsed-laser-deposited V2O5 thin films»;
Ramana C.V., Smith R.J., Hussain O.M.,
Chusuei C.C. and Julien C.M., Chem.
Mater.; 17 ; 1213 ; 2005
[75].
«Lithiated manganese oxide Li0.33MnO2
as an electrode material for lithium
batteries»; Zaghib K.; Julien C.M.;
Banov B., et al; J. Power Sources ; 159 ;
1365-9 ; 2006
[62].
«Structure and electrochemistry of
FePO4·2H2O hydrate»; Zaghib K. and
Julien C.M., J. Power Sources ; 142 ; 279 ;
2005
[76].
«Synthesis, structural and electrochemical
properties of pulsed laser deposited
Li(Ni,Co)O2
films»;
Zaghib
K.,
Ramana C.V., Julien, C.M; J. Power
Sources ; 159 ; 1310-15 ; 2006
[63].
«Surface analysis of pulsed-laserdeposited V2O5 films and their lithium
intercalated products studied by Raman
spectroscopy»; Ramana C.V., Smith R.J.,
Hussain O.M., Massot M. and Julien
C.M., Surf. Interf. Anal.; 37 ; 406 ; 2005
[77].
«Structural, magnetic and electrochemical
properties of lithium iron orthosilicate»;
Zaghib K., Salah A.A., Ravet, N.,
Julien C.; J. Power Sources ; 160 ; 13816 ; 2006
[64].
«XPS
and
Raman
spectroscopic
characterization of LiMn2O4 spinels»;
Ramana C.V., Massot M.
and
Julien C.M.; Surf. Interf. Anal ; 37 ; 412 ;
2005
[78].
«Structure of LiFe2P3O10 studied by
transmission
electron
microscopy»;
Julien C.M., Ramana C.V., Ait-Salah A.;
Mat. Sci. Eng. B (Solid-State Materials for
Advanced Technology); 135 ; 78-81 ;
2006
[65].
«Structure and conductivity of lithiated
vanadates LiMVO4 (M=Mn, Co, Ni) »;
Rissouli K., Benkhouja K., Touaiher M.,
Ait-Salah A., Jaafari K., Fahad M. and
Julien C.; J. Phys. IV France ; 123 ; 265 ;
2005
[79].
«FTIR features of lithium-iron phosphates
as electrode materials for rechargeable
lithium
batteries»;
Julien
C.M.,
Salah A.A.,
Jozwiak
P.,
et
al;
Spectrochimica Acta, Part A (Molecular
and Biomolecular Spectroscopy); 65 ;
1007-13 ; 2006
[66].
«Electron microscopy investigation of
structural transformations in tungsten
oxide (WO3) thin films»; Ramana C.V.,
Utsunomiya S., Ewing R.C., Julien C.M.
and Becker U., Phys. Status Solidi (a);
202 ; R108 ; 2005
[80].
«Microstructure of LiXPO4 (X=Ni, Co,
Mn) prepared by solid state chemical
reaction»; Ramana C.V., Julien C.M.,
Salah A.A.; et al; Scripta Materialia ; 55 ;
1179-82 ; 2006
[67].
«Local structure of manganese oxides and
lithium intercalates»; Julien C.M.,
Massot M; Ionics ; 11 ; 226-35 ; 2005
[81].
[68].
«LiCo1-yMyO2 positive electrodes for
rechargeable
lithium
batteries»;
Julien C.M.; Amdouni A.; CastroGarcia S.; et al; Mat. Sci. Eng. B (SolidState
Materials
for
Advanced
Technology); 128 ; 138-50 ; 2006
«Pulsed-laser
deposited
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 thin films for
application
in
microbatteries»;
Ramana C.V., Zaghib K., Julien, C.M.;
Appl. Phys. Lett.; 90 ; 21916-1-3 ; 2007
[82].
«Local structure of lithiated manganese
oxides»; Julien C.M.; Solid State Ionics ;
177 ; 11 ; 2006
[83].
«Highly oriented growth of pulsed-laser
deposited LiNi0.8Co0.2O2 films for
application
in
microbatteries»;
Ramana C.V., Zaghib K., Julien C.M.;
Chem. Mater.; 18 ; 1397 ; 2006
[84].
«Nano-sized impurity phases in relation to
the mode of preparation of LiFePO4»;
Mauger A.; Salah A.A.; Julien C.M., et al;
Mat. Sci. Eng. B (Solid-State Materials for
2006
«Structural stability and phase transitions
in WO3 thin films»; Ramana C.V.,
Utsunomiya S., Ewing R.C., Julien C.M.,
Becker U.; J. Phys. Chem. B ; 110 ;
10430 ; 2006
[85].
«Magnetic studies of the carbothermal
effect on LiFePO4»; Ait-Salah A.,
Zaghib K.; Mauger, A.; Julien C.; Phys.
Status Solidi (a); 203 ; R1-3 ; 2006
«Magnetic properties of intercalation
compounds as positive electrodes for liion batteries»; Julien C.M., Ait-Salah A.,
Mauger A., Gendron F.; Ionics ; 12 ; 21 ;
2006
[86].
«Structural and magnetic properties of
LiFePO4 and lithium extraction effect»;
Ait-Salah A., Dodd J., Mauger A.,
Yazami R., Gendron F., Julien C.M., Z.
Anorg. Allg. Chem.; 632 ; 1598 ; 2006
[69].
[70].
[71].
[72].
«LiMn2-yCoyO4 (0<y<1) intercalation
compounds synthesized from wetchemical
route»;
Julien
C.M.;
Amdouni N.; Gendron, F.; et al; Mat. Sci.
Eng. B (Solid-State Materials for
2006
«Lattice vibrations of materials for lithium
rechargeable batteries. VI: Ordered
spinels»; Julien C.M., Gendron F.,
Amdouni A., et al; Mat. Sci. Eng. B
(Solid-State Materials for Advanced
Technology); 130 ; 41-8 ; 2006
85
[87].
«Structure and insertion properties of
disordered and ordered LiNi0.5Mn1.5O4
spinels prepared by wet chemistry»;
Amdouni N., Zaghib K., Gendron F.,
Mauger A., Julien C.M.; Ionics ; 12 ; 117 ;
2006
[101].
«Nucleation, growth and ageing in closed
systems: I a unified model for
precipitation in solution, condensation in
vapour phase and crystallization in the
melt»; Noguera C., Fritz B. Clément A.,
Baronnet A.; J. Cryst. Growth ; 297 ; 180186 ; 2006
[88].
«Structural characteristics of lithium
nickel phosphate studied using analytical
electron
microscopy
and
Raman
spectroscopy»; Ramana C.V., AitSalah A., Utsunomiya S., Becker U.,
Mauger A., Gendron F., Julien C.M.;
Chem. Mater.; 18 ; 3788 ; 2006
[102].
«Nucleation, growth and ageing in closed
systems: II: simulated dynamics of a new
phase formation»; Noguera C., Fritz B.
Clément A., Baronnet A.; J. Cryst.
Growth ; 297 ; 187-198 ; 2006
[89].
«Chemical and electrochemical properties
of molybdenum oxide thin films prepared
by
reactive
pulsed-laser
assisted
deposition»; Ramana C.V., Julien C.M.;
Chem. Phys. Lett.; 428 ; 114 ; 2006
[103].
«Positive electrode design for advanced
rechargeable lithium batteries»; Banov B.,
Momchilov A., Julien C.M.; Bulg. Chem.
Commun.; 38 ; 201 ; 2006
«Non reactive meta/oxide interfaces: from
model calculations towards realistic
simulations»
(feature
article);
Goniakowski J., Mottet C., Noguera C.;
Phys. Stat. Sol. ; B243 ; 2516-2532 ; 2006
and Yk highlight (avril 2004) http://psik.dl.ac.uk/index.html?highlights
[90].
[104].
«Amorphous-crystalline transition studied
Camachoin
hydrated
MoO3»;
Lopez M.A.,
Haro-Poniatowski
E.,
Lartundo-Rojas L., Livage J., Julien C.M.,
Mater. Sci. Eng. B ; 135 ; 88 ; 2006
«Interface structure of Ni nanoparticles on
MgO (100) : A combined HRTEMand
molecular dynamic study»; Giorgio S.,
Sao-Jaoa S., Mottet C., Goniakowski J.,
Henry C. R.; Surf. Sci. ; 600 ; L86 ; 2006
[91].
[105].
«First-principles
study
of
PbSiO3
alamosite»; Detraux F, Finocchi F,
Gonze X; Phys. Rev. B ; 73 ; 165208 ;
2006
[106].
«Water on extended and point defects at
MgO surfaces»; Costa D. Chizallet C.,
Ealet B., Goniakowski J., Finocchi F.; ,J.
Chem. Phys.; 125 ; 054701 ; 2006 ; and
Virtual Journal of Nanoscale Science &
Technology 14 ; August 14, 2006
[107].
«Prediction of Uncompensated Polarity in
Ultrathin
Films»;
Noguera
C.,
Goniakowski J., Giordano L.; Phys. Rev.
Lett.; 98 ; 205701-205704 ; 2007
[92].
«High electrochemical performance at 60
°C of LiFePO4 with purity controlled by
SQUID magnetometry»; Zaghib K., Ravet
N., Gauthier M., Gendron F., Mauger A.,
Goodenough J.B., Julien C.M., J. Power
Sources ; 163 ; 560 ; 2006
[93].
«Magnetic properties of LiNi0.5Mn1.5O4
spinels prepared by wet chemical
methods»; Julien, C.M., Amdouni, N.,
Zaghib, K., et al; J. Magn. Magn. Mat.;
309 ; 100-5 ; 2007
[94].
«A theoretical study of magnetic phase
transitions in ultra-thin films: application
to NiO»; Noguera C., Mackrodt W. C. ;
Surf. Sci.; 600 ; 861-872 ; 2006
[108].
«Hydrated MgO smoke crystals from
cubes to octahedra»; Hacquart R.,
Jupille J.; Chem. Phys. Lett.; 439 ; 91-94 ;
2007
[95].
«Effect of pressure on Raman modes of
antimony»;Wang X., Kunc K., Loa I.,
Schwarz U., Syassen K., Phys. Rev. B ;
74 ; 134305 – 1/10 ; 2006
[109].
[96].
«Growth sequence and interface formation
in the Fe/MgO/Fe(001) tunnel junction
analyzed by surface x-ray diffraction»;
Tusche C., Meyerheim H.L., Jedrecy N.,
Renaud G., Kirschner J.; Phys. Rev. B ;
74 ; 195422 ; 2006
«Influence of Epitaxial Strain on
Supported Metal Cluster Shapes via
Atomistic Simulations»; Mottet C.,
Goniakowski J., J. Comput. Theor.
Nanosci. J. Comput. Theor. Nanosci.; 4 ;
326-334 ; 2007
[110].
«Local zero-bias anomaly in tunneling
spectra of a transition-metal oxide thin
film»; Rienks E. D. L., Nilius N.,
Giordano L., Goniakowski J., Pacchioni
G., Felicissimo M. P., Risse T., Rust H. P.,
Freund H.-J.; Phys. Rev. B ; 75 ; 2054431/5 ; 2007
[111].
«Optical properties of real surfaces: Localfield effects at oxidized Si(100)(2×2)
computed with an efficient numerical
scheme»; Caramella L., Onida G.,
Finocchi F., Reining L., Sottile F.; Phys.
Rev. B ; 75 ; 205405 ; 2007 ; et Virtual
Journal of Nanoscale Science &
Technology; 15 (14); 2007
[112].
«On the nature of the spin-polarized hole
states
in
a
quasi-two-dimensional
GaMnAs ferromagnetic layer»; Dias
Cabral E., Boselli M. A., da Lima
Cunha A. T., Ghazali A., da Cunha
Lima I. C.; Appl. Phys. Lett.; 90 ;
142118 ; 2007
[113].
«Surface terminaison of hematite at
environmental
oxygen
pressure:
Experimental surface phase diagram»;
Barbier A., Stierle A., Kasper N., Guittet
M.-J., Jupille J.; Phys. Rev. B ; 75 ;
233406 ; 2007
[97].
«Monte Carlo simulation of solid state and
melting of 2D confined magnetic particles
under perpendicular field»; Lévy JCS,
Ghazali A; Phys. Stat. Sol.; 243 ; 188 ;
2006
[98].
«Jahn-Teller stabilization of a polar metal
»;
oxide
surface :
Fe3O4(001)
Pentcheva R.,
Wendler
F.,
Meyerheim H. L., Moritz W., Jedrecy N.;
Scheffler M.; Phys. Rev. Lett.; 94 ;
126101; 2006
[99].
«Growth of Ag on MgO(001) studied in
situ by grazing incidence small angle Xray scattering»; Revenant C., Renaud G.,
Lazzari R., Jupille J.; Nucl. Instrum.
Methods Phys. Res. B ; 246 ; 112-117 ;
2006
[100].
«Improving the wetting of oxides by
metals»; Jupille J., Lazzari R.; Journal of
Optoelectronics and Advanced Materials ;
8 ; 901-908 ; 2006 (invité)
86
[114].
[115].
«Size-dependent epitaxy for a strong filmsubstrate mismatch: the case of
Pt/MgO(100) »; Olander J., Lazzari R.,
Jupille J., Mangili B., Goniakowski J.,
Renaud G., Noblet-Ducruet M., Phys.
Rev. B ; à paraître 2007
«Pulsed-laser
deposited
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 thin films for
application
in
microbatteries»;
Ramana C.V., Zaghib K., Julien C.M.;
Appl. Phys. Lett.; 90 ; 21916-1-3 ; 2007
[117].
«Spectroscopic and chemical imaging
analysis of lithium iron triphosphate»;
Ramana
C.V.,
Ait-Salah
A.,
Utsunomiya S.,
Morhange
J.F.,
Mauger A., Gendron F. and Julien C.M., J.
Phys. Chem. C ; 111 ; 1049 ; 2007
[118].
«Structural, magnetic and electrochemical
properties of LiNi0.5Mn0.5O2 as positive
electrode for Li-ion batteries»; AbdelGhany A., Zaghib K., Gendron F.,
Mauger A. and Julien C.M.; Electrochim.
Acta ; 52 ; 4092 ; 2007
«Growth and electrochemical properties of
Li-Ni-Co-Al oxide films»; Ramana C.V.,
Zaghib K. and Julien C.M., J. Vac. Sci.
Technol. A ; 25 ; 1208 ; 2007
[121].
«Structure and chemical properties of
molybdenum
oxide
thin
films»;
Ramana C.V.,
Atuchin
V.V.,
Pokrovsky L.D., Becker U.
and
Julien C.M.; J. Vac. Sci. Technol. A ; 25 ;
1166 ; 2007
[C3] « Solid solution phases used as models for
complex mineral phases in geochemical computer
models » ; Fritz B. Clément A., Noguera C.; Geochim et
Cosmochim. Acta : 68 (11); A76-A76 Suppl. S June
2004 ; (Conférence Internationale Goldschmidt 2004,
Copenhague, Danemark, juin 2004)
[C4]
« Modeling Free and Supported Metallic
Nanoclusters : Structure and Dynamics » ; Mottet C.,
Goniakowski J., Baletto F., Ferrando R., Treglia G.,
Phase Transitions ; 77 ; 101 ; 2004
[C5] « Melting and Freezing of Pd nanoclusters : effect
of the MgO(100) substrate» ; Mottet C., Goniakowski J.,
Surf. Sci.; 566-568, 443 ; 2004
[C6] «Palladium nano-clusters on the MgO(100) surface :
substrate-induced characteristics of morphology
and atomic structure» ; Goniakowski J., Mottet C., J.
Cryst. Growth; 275; 29-38; 2005.
[C7] «In situ GISAXS study of the growth of Pd on
MgO(100) » ; Leroy F., Revenant C., Renaud G.,
Lazzari R., Appl. Surf. Sci; 238, 233; 2004
(1st International Meeting on Applied Physics,
APHYS03, Badajoz, Espagne 2003)
«Electronic, optical, and magnetic
properties of LiFePO4: small magnetic
polaron effects»; Zaghib K., Mauger A.,
Goodenough
J.B.,
Gendron
F.,
Julien C.M., Chem. Mater.; 19 ; 3740 ;
2007
[123].
«Surfactants and control of ordering in
thin films of semiconductor alloys»;
Chakrabarti A., Kunc K.; Alger. J. Adv.
Materials ; 2007 ; accepté pour publication
[124].
«Structural and morphological evolution
of Co on faceted Pt/W(111) surface upon
thermal
annealing»;
Revenant
C.,
Leroy F., Renaud G., Lazzari R.,
Letoublon A., Madey T.; Surf. Sci.; 2007 ;
accepté pour publication
[125].
«Grazing incidence small angle x-ray
scattering from dense packing of island on
surfaces: development of DWBA and
correlation between particle size and
spacing»; Lazzari R., Leroy F.,
Renaud G.; Phys. Rev. B ; 2007 ; accepté
pour publication
[126].
[C2] « A geochemical model for dissolution, nucleation
and growth of minerals in aqueous solutions » ;
Noguera C., Fritz B. Clément A., Baronnet A.; Geochim
et Cosmochim. Acta : 68 (11); A118-A118 Suppl. S June
2004 ; (Conférence Internationale Goldschmidt 2004,
Copenhague, Danemark, juin 2004)
«Mechanism of the Fe3+ reduction at low
temperature for LiFePO4 synthesis from
polymeric
precursor»;
Ravet
N.,
Gauthier M., Zaghib K., Goodenough J.B.,
Mauger A., Gendron F. and Julien C.M.;
Chem. Mater.; 19 ; 2595 ; 2007
[120].
[122].
[C1] « Ab initio study of the polar SrTiO3(110) (1x1)
surfaces » ; Bottin F., Finocchi F. , Noguera C. ; Surf.
Sci. ; 532-535 ; 468 ; 2003 (Conférence ECOSS 21; juin
2002, Malmoe, Suède)
«X-ray scattering from stepped and kinked
surfaces: An approach with the paracrystal
model»; Leroy F., Lazzari R., Renaud G.;
Surf. Sci ; 601 ; 1915 ; 2007
[116].
[119].
[C8] «Growth of Ge on Si(001) studied in situ by grazing
incidence small angle X-ray scattering» ; Leroy F.,
Eymery J., Buttard D., Renaud G., Lazzari R.;
J. Cryst. Growth.; 275, e2195; 2005 (14th International
Conference on Crystal Growth and the 12th International
Conference on Vapor Growth and Epitaxy, Grenoble,
France 2004)
[C9] «Growth of Ag on MgO(0 0 1) studied in situ by
GISAXS» ; Revenant C., Renaud G., Lazzari R.,
Jupille J.; Nucl. Inst. Meth. ; B 246, 112 ; 2006
(Proceedings of the E-MRS 2005 Symposium on
Synchrotron Radiation and Materials Science)
[C10] «Surface properties and first stages of growth of
oxides» ; Finocchi F, Geneste G, Morillo J, Hayoun M; in
“Crystal Growth: from basic to applied”, Comptes
Rendus Acc. Nat. Lincei ; 2003 (workshop italo-français,
Roma,
octobre
2002).
«Self similarity during growth of
Au/TiO2(110) model catalyst as seen by
the scattering of x-ray at grazing
incidence»; Lazzari R., Leroy F.,
Jupille J.; Phys. Rev. B ; 2007 ; accepté
pour publication
[C11] «The effects of exchange and correlation on the
computed equilibrium shapes of wet MgO crystallites »;
Finocchi F, Goniakowski J; Surface Sci. ; à paraître;
http://dx.doi.org/10.1016/j.susc.2007.04.166 (conférence
internationale ECOSS-24, Paris, septembre 2006)
[L1] Depondt Philippe, de Véricourt G., « Kepler »,
2005, Editions du Rouergue
87
•
•
«Oxygen potential-dependent reconstruction of
the polar MgO(111) surface» ; Jupille J., F.
Finocchi et C. Noguera ; International
Workshop on Oxide formation on metal
surfaces: stability, reactivity and high
pressures ; Lund (Suède); juillet 2003
•
«Simulation of Grazing Incidence Small Angle
X-Ray Scattering from nanostructures» ;
Lazzari R.; présentation invitée et cours sur
l’utilisation de IsGISAXS, Workshop on
GISAXS, HASYLAB/DESY ; Hambourg,
(Allemagne); Mai 2004
•
«Metal nano-clusters on the MgO(100) surface:
substrate-induced
characteristics
of
morphology and atomic structure » ;
Goniakowski J ; 14th Int. Conf. on Crystal
Growth and 12 Int. Conf. On Vapor Growth
and Epitaxy ; Grenoble (France) ; 9-13 août
2004 ; Conférence Plénière, Prix Schieber.
•
«Using polarity for engineering oxide nanostructures: structural phase diagram in
MgO(111) ultra-thin films» ; Goniakowski, J.;
Int. Workshop on Oxide Surfaces IWOX-4 ;
Torino-Aussois (Italy-France); Janvier 2005
•
«A geochemical model for dissolution,
nucleation and growth of minerals in aqueous
solutions» ; Noguera C.; Goldschmidt
Conference 2004 ; Copenhague (Dannemark) ;
juin 2004
•
«Theoretical studies of polar metal/oxide
interfaces» ; Noguera C., Goniakowski J.,
Giordano L. ; International Workshop on
Computational Electrochemistry ; Santorin
(Grèce); septembre 2004
•
«Theoretical studies of polar metal/oxide
interfaces» ; Noguera C., Bottin F. Finocchi F.,
Goniakowski J., Giordano L.; International
Workshop on Surface Nanoscience ; Graz
(Autriche); 18-20 septembre 2004
•
«Li2O at high pressures: structural properties,
phase-transition and phonons» ; Kunc K. ; XVII
Simposio Latinoamericano de Fisica del
Estado Solido, SLAFES-2004 ; Havana (Cuba);
6 – 9 décembre 2004
•
«Ab initio modelling of particle diffusion and
adhesion of metal over-layers on oxide
surfaces» ; Finocchi F., Noguera C., Geneste
G., Morillo J.; International Conference on
Interfaces in Advanced Materials, IAM'03 ;
Chernogolovka (Russia); 26-30 Mai 2003
•
«Stability of non stoichiometric polar oxide
surfaces from first principles» ; Finocchi F.,
Goniakowski J., Noguera C.; CECAM
international workshop "In situ atomic scale
characterization of surfaces: recent advances
in experiment and theory" ; Lyon (France); 3-6
Novembre 2004.
•
«Modelling oxide surfaces from first
principles» ; Finocchi F.; International Max
Planck Research School for Advanced
Materials ; Stuttgart (Allemagne); 4-8 Juillet
2005.
•
«Improving the wettability at metal/oxide
interface» ; Jupille J. et Lazzari, R, Int.
Conference
on
Fundamental
and
AppliedResearch in Physics ; Iasi (Roumanie);
octobre 2005.
•
•
•
•
•
•
•
«Electronic properties and reactivity of oxide
surfaces:
theory
and
first-principles
simulations» ; Finocchi F., Goniakowski J.,
Noguera
C.;
International
Symposium
"Catalysis on oxide-type materials: theory and
experiments" ; Krakow (Pologne); 17-19
Novembre 2005
«Oxides in low dimensionality» ; Noguera C.,
Goniakowski J., Finocchi F.; CONCORDE
Meeting ; Paris ; juin 2004
«NANOKIN: A geochemical computer model
for the dissolution, nucleation and growth of
minerals in aqueous solutions» ; Noguera C.;
International
Mineralogical
Association
IMA2006 ; Kobe (Japon); 23-28 juillet 2006
«Ab initio simulations of ultra-thin oxide
layers» ; Noguera C. ;13th International
Conference on Solid films and surfaces ;
Bariloche (Argentine); 6-10 novembre 2006
«Dissolution, nucleation and growth of mineral
phases in aqueous solutions» ; Noguera C.,
Fritz B., Clément A.; Goldschmidt Conference
2007 ; Cologne (Allemagne); 20-24 août 2007
«Watching metal nanoparticles grow on oxide
surfaces with photon based techniques» ;
Lazzari R.; IWOX 5 (International Workshop
on Oxide Surfaces) ; Lake Tahoe (Etats-Unis);
7-12 Janvier 2007
«Analyzing Grazing Incidence Small Angle XRay Scattering from nanostructures» ;
Lazzari R.; présentation invitée et cours sur
l’utilisation de IsGISAXS, Workshop on
GISAXS, HASYLAB/DESY ; Hambourg
(Allemagne); 9-11 Mai 2007
«Surfactants and control of ordering in thin
films
of
semiconductor
alloys»
;
Chakrabarti A., Kunc K.; 3rd MRS Workshop
DFT Applied to Metals and Alloys ; Oran
(Algérie); 2-4 Mai 2007
Thèses et HDR
« Orientation polaire (110) de SrTiO3: surface
•
propre et dépôt de GaAs», Bottin François,
thèse UPMC, 2004
•
« Structure atomique et électronique de couches
ultra-minces d’oxydes », Casek Petr, thèse
UPMC, 2004
•
« Sites de surface de l'oxyde de magnésium »,
Hacquart Romain, thèse UPMC, 2006
•
« Agrégats et surfaces d'oxydes: aspects
théoriques », Finocchi Fabio, HDR, Université
Paris-Sud, Orsay, 2004
•
Mackrodt, W. C. Université de Saint-Andrews
(Ecosse) programme ALLIANCE
•
Chakrabarti Aparna, Raja Ramanna Centre for
Advanced Technology, Indore (India) ;
programme IFCPAR
Autres
Contrats publics
•
ANR PNANO 2005 « DiNaMo : Dispositifs
Nanoélectrodes – ‘molécule unique’ ;
Nanoélectrodes épitaxiées sur substrats isolants
pour la réalisation d’un dispositif planaire
nanoélectrodes », R. Lazzari (Coordinateur : D.
Martrou)
88
•
•
•
BQR Recherche P6 (2004) F. Finocchi
Crédits
mi-lourds
2004
CNRS-Chimie
« analyse
locale
de
couches
minces
ionocovalents », J. Jupille
•
ANR PNANO 2006 « SIMINOX: Simulation
de nano-objets oxydes » J. Goniakowski,
F. Finocchi, C. Noguera (Coordonnateur J.
Goniakowski)
Contrats européens
• COST
Chemistry
D19:
Chemical
•
•
•
•
functionality specific to the Nano-meter
scale, working group 5 : Chemical
reactivity of metal oxide nanostructures,
(2002 - 2006)
Ecoles
•
European
Union
Coordination
Action
CONCORDE :
CO-ordination
of
Nanostructured Catalytic Oxides Research and
Development
in
Europe
2004-2007
Coordonnateur INSP: C. Noguera
COST Chemistry D41: Inorganic oxides :
•
surfaces and interfaces, working group 1 :
Oxide nano-structures, (2006 - 2010)
Julien C., Symposium dans le cadre des
meetings annuels de l’ECS (Electro-Chemical
Society)
o 2003 Paris
o 2004 Los Angeles
o 2005 Quebec
o 2006 Cancun
Jupille J., Conference EUROMAT, 2003,
Lausanne
Goniakowski J. et Noguera C., Colloque du
réseau CONCORDE, 24-25 juin 2005, Paris
Noguera C., Ecole de Sciences des Surfaces de
Porquerolles « Oxydes en solution: de la
physique et chimie des surfaces aux sciences de
la terre (OXYSOL) » , 4 au 10 juin 2005,
Porquerolles, France
Depondt P., Lemaistre J. P., Ghazali A. et
Finocchi F., JSNUM (Journées de simulation
numérique) : colloque et école, tous les ans en
juin, Paris
Vulgarisation
•
Noguera C., Roditchev D. ; « Les multiples
frontières du nanomonde », Pour la Science,
décembre 2006
•
R. Lazzari, G. Renaud, F. Leroy, « Regarder
croître les nano-objets », Bulletin de la Société
Française de Physique 142, (Décembre 2003Janvier 2004)
•
Depondt P., Ghazali A. et Finocchi F.,JSNUM
(Journées de simulation numérique) : colloque
et école, tous les ans en juin, Paris
•
Jupille J., MATERIAUX, 2006, Dijon
Colloques ou workshops internationaux :
•
Jupille J., ECOSS 24, septembre 2004, Paris
Prix
89
•
Jacek Goniakowski : Prix Schieber, 2004
90
Equipe II.4 - Dynamique des interfaces (G. Faivre)
Permanents : Akamatsu Silvère, CR1 ; Bottin-Rousseau Sabine, MC ; Faivre Gabriel, DR2, Waysand Georges (retraite :
sept. 2006)
Non permanents : Perrut Mikaël, doctorant ; Morlat Tomoto, doctorante
largement comprise, grâce, entre autres, à nos travaux
antérieurs. Nous continuons cependant d’utiliser les
observations en échantillons minces, à cause,
principalement, de leur grande précision. Ainsi, nous
avons récemment déterminé exactement le seuil de
l’instabilité de diffusion de phase (dite aussi
« d’Eckhaus ») dans des échantillons minces des alliages
eutectiques transparents non-facettés CBr4-C2Cl6 [6] et
succinonitrile-camphre (SNC-DC) [14] –mesures qui ont
infirmé l’hypothèse de croissance normale communément
admise en ce domaine. Cependant, comme nous l’avions
indiqué dès 1995, l’enjeu scientifique majeur dans le
domaine des structures eutectiques était de passer des
systèmes 2D aux systèmes 3D, c’est-à-dire des
échantillons minces aux échantillons massifs. Ni les
expériences, ni les calculs numériques ne pouvaient
franchir cette étape, il y a dix ans. C’est maintenant chose
faite. En 2003, nous avons construit, dans notre
laboratoire, un dispositif optique original permettant
d’observer les fronts eutectiques d’alliages transparents
« par le dessus », c’est-à-dire à travers le liquide, dans
des échantillons dont l’épaisseur peut aller jusqu’à
500 µm. Le principe et les performances de ce dispositif
sont décrits dans la référence [15]. Dans le même temps,
Mathis Plapp (LPMC, Palaiseau) et ses collaborateurs ont
mis au point des codes de calcul numérique du type
« champ de phase » permettant la simulation dynamique
de la croissance eutectique 3D. Les résultats marquants
obtenus à ce jour concernent 1- la bifurcation zigzag des
eutectiques lamellaires. Nos observations expérimentales
dans des échantillons massifs de l’alliage CBr4-C2Cl6 [4]
et des simulations numériques de A. Parisi et M. Plapp
[12] ont révélé l’existence d’une bifurcation zigzag des
structures eutectiques lamellaires. Ce résultat représente
un pas en avant considérable. Il établit pour la première
fois que les théories phénoménologiques forgées pour des
systèmes hydrodynamiques comme la convection de
Rayleigh-Bénard
sont
applicables
aussi
aux
eutectiques 3D ;
Le thème de cette recherche est l’étude
expérimentale et théorique des phénomènes de formation
de structures non-linéaires hors d’équilibre (pattern
formation outside of equilibrium) qui apparaissent lors de
la croissance d’une phase thermodynamique dans une
autre. Ces phénomènes, étant au cœur de la
morphogenèse de nombreux systèmes naturels ou
artificiels, sont d'un intérêt très général, à la fois
fondamental et appliqué. Ils interviennent à des échelles
spatiales diverses, généralement plus grande que le
micromètre, mais parfois beaucoup plus petite, par
exemple, en solidification à grande vitesse ou lors du
dépôt de films monoatomiques métalliques à plusieurs
constituants. Ils soulèvent de nombreuses questions
fondamentales, qui restent non résolues. Nous étudions
plus particulièrement les structures hors d’équilibre des
fronts de solidification sous gradient thermique imposé,
connues en métallurgie sous le nom de « microstructures
de solidification dirigée ». Des exemples fameux sont les
réseaux de dendrites des alliages monophasés, et les
réseaux lamellaires ou fibreux des alliages eutectiques
(polyphasés). La nature totalement dynamique du
phénomène impose d’observer l’évolution temporelle des
structures in situ en temps réel. Nous réalisons ces
observations par des méthodes optiques appropriées, dont
certaines ont été créées dans notre laboratoire, dans des
alliages transparents, ou dans des alliages métalliques en
réflexion. Les données sont comparées aux résultats de
simulations numériques dynamiques réalisées en
collaboration avec des équipes de théoriciens. Il convient
d’ajouter que les phénomènes de structuration hors
d’équilibre en cours de solidification sont foncièrement
différents selon que le système est bi- ou tridimensionnel,
et selon que l’interface de croissance présente, ou non, le
phénomène dit de « facettage ». D’où la classification des
sujets d’étude qui est utilisée ci-dessous. Enfin, nous
soulignons qu’avant la période couverte par ce rapport,
notre équipe avait accumulé nombre de résultats
marquants en échantillons minces (systèmes 2D)
transparents non-facettés. Cette remarque rendra
apparentes les innovations auxquelles correspondent les
quatre sujets d’études présentés ici.
1)
massifs
Structures
eutectiques
en
échantillons
Akamatsu S., Bottin-Rousseau S., Perrut M., Picard C.,
Faivre G.
Références : [6], [11], [12], [14], [15]
100 µm
Un eutectique binaire est un alliage à deux
constituants chimiques qui, au passage de l’état liquide à
l’état solide, subit une démixtion en deux phases de
structures cristallines et de compositions chimiques
différentes. La dynamique de croissance d’un tel alliage
est gouvernée par le transport des composants chimiques
d’une phase cristalline à l’autre via le liquide. Elle est
qualitativement différente selon que le système est bi- ou
tridimensionnel, pour des raisons essentiellement
topologiques. La dynamique en échantillons minces (de
quelques micromètres d’épaisseur) est à présent
Légende : Instabilité zigzag de la structure eutectique
lamellaire. Observation in situ du front de solidification d’un
alliage eutectique CBr4-C2Cl6. Les limites horizontales de
l’image correspondent aux parois du creuset, distantes de
300 µm. Vitesse de solidification : 0,5 µms-1.
2- le forçage des structures eutectiques par les
imperfections expérimentales. Le suivi en temps réel des
structures eutectiques 3D sur des temps longs a révélé
que le régime permanent du système est sélectionné, non
91
pas par la dynamique intrinsèque du système idéal (c’està-dire infini, et parfaitement unidirectionnel), mais par le
couplage entre cette dynamique intrinsèque et les
imperfections du champ thermique. En bref, une légère
inclinaison des isothermes par rapport à la direction de
croissance suffit à faire dériver la structure et à créer ainsi
une structure lamellaire parallèle à la direction de la
dérive. Semblablement, une légère courbure négative des
isothermes engendre une dilatation permanente de la
structure conduisant au déclenchement
répété
d’instabilités de branchement. Ces résultats sont en cours
de publication. Incidemment, de tels phénomènes de
forçage en solidification dirigée avaient été étudiés
antérieurement en échantillons minces d’alliages
monophasés par un membre de l’équipe [3].
Nous avons montré antérieurement que, dans des
échantillons minces (environ 10 µm d’épaisseur), la
dynamique de solidification est essentiellement 2D, ce
qui implique que l’interface soilde-liquide, quelles que
soient ses déformations dans le plan de l’échantillon,
reste par ailleurs normale aux parois de l’échantillon.
Dans ces conditions, 1- l’observation optique par
réflexion sur une face d’un échantillon mince doit
renseigner sur ce qui se passe dans tout l’échantillon ; 2la dynamique est déterminée par une « anisotropie
effective » qui dépend de l’orientation du cristal par
rapport au plan de l’échantillon, et peut donc être choisie
par l’expérimentateur. D’où l’idée d’étudier la
dynamique de solidification dans des échantillons
métalliques minces. L’utilisation d’alliages métalliques,
au lieu d’alliages d’organiques transparents, permettra de
déterminer, et de suivre en cours de solidification,
l’orientation des cristaux par diffraction X et donc
d’étudier les effets d’anisotropie avec précision. Cela
nous permettra également d’étudier diverses questions
concernant l’interaction des fronts de croissance avec les
défauts de réseau des cristaux (polygonisation des fronts
monophasés, changements d’orientation des lamelles ou
fibres eutectiques en cours de croissance).
Perspectives : Nous poursuivrons les études en
échantillons massifs d’eutectiques transparents avec,
comme cibles principales, les instabilités secondaires des
structures fibreuses et la compétition entre structures
lamellaires et fibreuses. Les études au sol seront
complétées par des expériences en micropesanteur. La
micropesanteur doit permettre de supprimer la
convection dans le liquide, qui est une perturbation très
limitante des expériences. Plus positivement, la
micropesanteur peut permettre de réaliser des
expériences sous gradient de concentration longitudinal
dans le liquide, ce qui serait un outil puissant pour
étudier la compétition entre structures lamellaires et
fibreuses, comme l’indiquent des simulations numériques
réalisées par M. Plapp. Ce projet a été accepté par
l’Agence Spatiale Européenne en 2004, et est
subventionné par le Centre National d’Etudes Spatiales.
Sous le nom de projet DIRSOL, il a pour but de réaliser
une version spatiale de notre dispositif d’observation des
eutectiques 3D et est actuellement en phase B.
L’expérience spatiale devrait avoir lieu en 2010 dans la
Station Spatiale Internationale. Quatre équipes
européennes sont intéressées par ce dispositif et
participent à ce projet, dont celle de S. Rex (ACCESS,
Aix-la-Chapelle) avec laquelle nous sommes en
collaboration pour tout ce qui concerne les alliages
succinonitrile-camphre.
A terme, nos projets concernent les structures de
solidification monophasées aussi bien que polyphasées.
Nous avons commencé par ces dernières en choisissant
comme premier objectif la clarification de la notion de
dynamique « accrochée », que nous avons nous-mêmes
introduite dans le domaine de la croissance eutectique, il
y a quelques années. En bref, pour certaines orientations
relatives des deux phases cristallines constituant le solide
eutectique, l’interface entre ces phases présente des
orientations spéciales, correspondant vraisemblablement
à des minima de sa tension de surface, autour desquelles
la dynamique est qualitativement différente de ce qu’elle
est généralement. Un examen attentif de la bibliographie
montre que ce phénomène, apparemment resté
insoupçonné, n’est pas rare, et peut même être dominant
dans des alliages eutectiques industriels tels que Al-Cu.
Nous avons construit dans notre laboratoire un
dispositif de solidification dirigée sous microscope
approprié à l’observation de métalliques par réflexion. De
premières expériences ont été réalisées sur des
échantillons minces d’alliages eutectiques métalliques à
base d’Indium, et ont montré une dynamique 2D
comparable à celle que nous avons observée
antérieurement dans des alliage eutectiques transparents,
en particulier en ce qui concerne les phénomènes
d’accrochage. L’exploitation systématique de ces
premiers résultats est en cours.
2) Anisotropie interfaciale et structuration
hors d’équilibre en échantillons métalliques minces
Akamatsu S., Bottin-Rousseau S., Picard C., Faivre G.
Les forces capillaires, et les cinétiques
d’attachement des molécules aux interfaces, sont des
facteurs essentiels des morphologies de croissance. Or,
les grandeurs caractérisant ces facteurs (tensions
interfaciales et coefficients d’anisotropie) sont
anisotropes : elles dépendent de l’orientation de
l’interface solide-liquide par rapport au réseau du cristal.
Une forte anisotropie (anisotropie de l’ordre de 10%) est
concomitante de singularités morphologiques telles que
facettes ou arêtes. Inversement, une forme de croissance
non singulière est le signe d’une relativement faible
anisotropie interfaciale. Cependant, il est maintenant
établi qu’une anisotropie de l’ordre de 1% est nécessaire
à l’existence d’une structure hors d’équilibre aussi
commune que la dendrite. Ainsi, une anisotropie
interfaciale même faible peut jouer un rôle crucial dans la
formation des structures hors d’équilibre de
solidification. Des recherches visant à déterminer les
coefficients d’anisotropie des interfaces solide-liquide se
sont développées ces dernières années, mais les mesures
restent difficiles. Nos recherches sur ce sujet s’inscrivent
dans cet effort international. Notre idée directrice est la
suivante.
Perspectives : A court terme, notre projet est d’associer
observations optiques en temps réel et analyses postmortem de l’orientation des cristaux par diffraction
d’électrons rétrodiffusés ou par microdiffraction X. A
plus long terme, nous envisageons des expériences de
solidification visualisées en temps réel à l’aide d’un
rayonnement X synchrotron
3) Structures hors d’équilibre des cristaux
facettés
Akamatsu S., Faivre G.
Lorsque l’interface est fortement facetté, la
dynamique de croissance est totalement différente de
celle des fronts non-facettés. Pour établir un lien entre les
deux types de croissance, nous avons étudié en
échantillons minces des systèmes partiellement facettés.
92
Entre 2000 et 2003, en collaboration avec Tamas
Börzsönyi (Université de Budapest), nous avons étudié
un système possédant une seule direction de facette. Il
s'agit du front séparant les phases nématiques et
smectique B du cristal liquide CCH4, dont l’unique
direction de facette est celle des plans lamellaires du
smectique B. Parmi les résultats marquants de ce travail,
publiés antérieurement, se trouve l'existence, au voisinage
du seuil d'instabilité cellulaire, d'une onde solitaire
facettée se propageant de façon oscillante. Ce processus
dynamique met en lumière un aspect relativement
nouveau et subtil de la dynamique de croissance en
présence de facettes, que nous appelons transition entre
régime « bloqué » et régime « non-bloqué ».
premier cas, l’absorption de lumière est suffisante (même
sans colorant) pour créer des perturbations thermiques à
des échelles allant de 10 µm (qui est aussi l’ordre de
grandeur de l’espacement lamellaire) à 100 µm selon la
puissance du spot laser et le temps d’illumination. Nous
avons ainsi pu déclencher localement des instabilités
d’élimination de lamelles, créer ou stopper des domaines
d’inclinaison, et sonder les propriétés de diffusion de la
phase des fronts eutectiques lamellaires.
Depuis lors, toujours en collaboration avec
T. Börzsönyi, nous avons poursuivi ce travail en étudiant
la dynamique de l’instabilité cellulaire dans des cristaux
facettés moléculaires de symétrie monoclinique
(biphényl, naphtalène). La distinction entre régime
bloqué et non-bloqué s’impose aussi dans ce cas. Nous
avons étudié l’instabilité cellulaire dans des cristaux de
facette (001) « bloquée » parallèle au plan de
l’échantillon. Les cellules au-dessus du seuil présentent
des facettes {110}, qui croissent sans présenter de
cinétique lente apparente, et sont donc comparables aux
facettes purement « capillaires » étudiées numériquement
par A. Karma (Boston) et J.M. Debierre (Marseille).
Nous avons également étudié les phénomènes de
déformation plastique en cours de croissance qui se
produisent à la place de l’instabilité cellulaire lorsque les
cristaux sont très purs. Des publications sont en cours de
rédaction.
Légende : Solidification directionnelle en échantillon mince d’un
alliage eutectique lamellaire CBr4-C2Cl6. Fusion partielle du
solide induite par un spot laser. Dimension horizontale :
150 µm.
Dans le deuxième cas, il faut ajouter une (très faible)
quantité d’un colorant laser en solution dans le SCN
liquide. Nous avons montré l’efficacité d’un algorithme
de « boucle de rétroaction » (feedback control) pour
stabiliser des fronts cellulaires d’espacement inférieur à
la limite de l’instabilité de doublement de période
conduisant, normalement, à l’élimination d’une cellule
sur deux. Cet algorithme consiste à freiner (par chauffage
local) la croissance de toute cellule dont la position, le
long du gradient thermique, dépasse la moyenne au sein
de la structure. Le front est filmé en permanence, un
traitement automatique des images (H. Singer) localise en
temps réel les pointes de cellules, ce qui sert à calculer la
position des spots laser à activer ; ces données sont
transmises au système de commande des spots laser. En
parallèle, des simulations numériques ont été faites par
A.J. Pons
et
A. Karma
[13].
L’accord
est
remarquablement bon entre les calculs et l’expérience. Le
résultat central est la stabilisation de cellules
d’espacement (très uniforme) deux fois inférieur à la
limite de stabilité sans limitation de temps, à l’issue d’un
transitoire court, avec une puissance injectée (celle des
spots) constante et très faible en régime permanent.
Perspectives : Nous poursuivrons les expériences sur les
instabilités de croissance dans les cristaux facettés
transparents en échantillons minces et en échantillons
massifs. D’autre part, nous avons en projet
d’entreprendre l’étude de « fronts complexes » en
solidification dirigée. Par fronts complexes, nous
entendons des fronts qui possèdent une microstructure
d'origine non diffusive à une échelle beaucoup plus petite
que celles des instabilités diffusives, comme, par exemple,
les fronts de croissance « sphérolitiques » des polymères.
4)
Maîtrise
des
microsctructures
solidification par micromanipulation
de
Akamatsu S.
Cette étude est le fruit de trois séjours (une
semaine en décembre 2002 ; deux mois dans l’été 2005 ;
une semaine en mars 2007) dans le laboratoire du
Professeur Wolfgang Losert (IREAP, University of
Maryland). Le but est d’utiliser une méthode, dont un
prototype avait été utilisé avec succès par W. Losert et H.
Cummins (thèse PhD de W. Losert) pour l’étude de la
stabilité locale des fronts cellulaires et dendritiques,
permettant la maîtrise de la taille des microstructures de
solidification par micromanipulation. Le nouveau
dispositif (hologramme laser), installé dans le laboratoire
de W. Losert (IREAP), permet de positionner et déplacer
à volonté un grand nombre (jusqu’à 200) de spots laser de
diamètre inférieur à 10 µm sous microscope optique. Le
principe consiste à illuminer le liquide en avant de
l’interface solide-liquide et de perturber le front
solidification par un échauffement local (voire la fusion
partielle du solide) et momentané. Nous avons mis en
œuvre cette méthode dans des échantillons minces 1d’alliages eutectiques de CBr4-C2Cl6 [10], et 2-d’alliages
dilués à base de succinonitrile (SCN) [13]. Dans le
Légende : Solidification directionnelle en échantillon mince d’un
allaige SCN-coumarin 152. Stabilisation par boucle de
rétroaction de cellules en dessous du seuil de l’instabilité par
doublement de période. Cadre : contrôle actif. Barre : région
contrôlée. a) instabilite ; b) transitoire ; c) cellules stabilisées ;
d) instabilité ; e) cellules stables (sans contrôle). Les spots laser
ne sont pas visibles. Dimension horizontale : 2 mm.
Perspectives : Le but à moyen terme est d’adapter et
calibrer l’algorithme de boucle de rétroaction aux
eutectiques
lamellaires.
Nous
envisageons
le
développement d’un dispositif expérimental du même type
dans le laboratoire.
93
5) Systèmes métastables
Waysand S., Morlat T.
Références : [1], [2], [5], [7]
Cette activité s’est arrêtée du fait du départ de
G. Waysand à la retraite.
Publications
[1].
«Preliminary Study of a Non-Crystalline
Positron Emission Tomography using a
Suspension of Superheated Superconducting
Grains (SSG) in High Density Dielectric matrix
( HDDM) as Detector»; Bruère-Dawson R.,
Maillard J., Maurel G., Silva J., Waysand G.;
NIM ; A515 ; 869-880 ; 2003
[2].
«Simultaneous
seismic
and
magnetic
measurements in the Low Noise Underground
Laboratory (LSBB) of Rustrel, France, during
the 2001,26th January Indian Earthquake»;
Gaffet S., Gugliemi Y., Virieux J.,
Waysand G.,
Chwala
A.,
Stolz
R.,
Emblanch C., Auguste M., Boyer D.,
Cavaillou A.; Geophys. J. Int.; 155 ; 981-999 ;
2003
[3].
«Curvature induced periodic attractor on
growth interface»; Pocheau A., BottinRousseau S.; Chaos ; 14 ; 882-902 ; 2004
[4].
«Experimental Evidence for a Zigzag
Bifurcation in Bulk Lamellar Eutectic
Growth»; Akamatsu S., Bottin-Rousseau S.,
Faivre G.; Phys. Rev. Lett.; 93 ; 175701 ; 2004
[5].
«MCNP optimization of filtered neuron beams
for calibration of the SIMPLE detector»;
Oliveira C., Giuliani F., Girard T.A.,
Marques J.G., Salgado J., Collar J.I., Morlat T.,
Limagne D., Waysand G.; NIM ; B213 ; 172176 ; 2004
[6].
«Overstability of lamellar eutectic growth
below the minimum-undercooling spacing»;
Akamatsu S., Plapp M., Faivre G., Karma A.;
Metall. Mater. Trans.; 35A ; 1815-1828 ; 2004
[7].
«Response of SIMPLE SDD to Monochromatic
Neutron Irradiations»; GIuliani F.,.Oliveira C,
Collar J.I., Girard T.A., Morlat T., Limagne D.,
Marques J.G., Ramos A.R, Waysand G.; NIM ;
A526 ; 348-358 ; 2004
[8].
«Multiphase solidification in multicomponent
alloys»; Hecht U., Granasy L., Pusztai T.,
Böttger B., Apel M., Witusiewicz V., Ratke L.,
De Wilde J., Froyen L., Camel D., Drevet B.,
Faivre G., Fries S.G., Legendre B., Rex S.,
Mater. Sci. Eng., R Rep.; 46 ; 1-49 ; 2004
[9].
«Control
of
eutectic
solidification
microstructures
through
laser
spot
perturbations»; Akamatsu S., Lee K.Y.,
Losert W.; J. Cryst. Growth ; 289 ; 331 ; 2006
[11].
«Stability of lamellar eutectic growth in thick
samples»; Akamatsu S., Bottin-Rousseau S.,
Faivre G.; Phil. Mag.; 86 ; 3703 ; 2006
[12].
«Three-dimensional phase-field simulations of
eutectic solidification and comparison to in situ
experimental
observations»;
Parisi
A.,
Plapp M., Akamatsu S., Bottin-Rousseau S.,
Perrut M., Faivre G.; in "Modeling of Casting,
Welding,
and
Advanced
Solidification
Processes - XI"; pp. 417-424 ; edited by C.-A.
Gandin and M. Bellet, The Minerals, Metal and
Materials Society, Warrendale, PA; 2006
«Feedback control of unstable cellular
solidification fronts»; Pons A.J., Karma A.,
Akamatsu S., Newey M., Pomerance A.,
Singer H., Losert W.; Phys. Rev. E ; 75 ;
021602 ; 2007
[14].
«Real-time study of thin and bulk eutectic
growth in Succinonitrile-(D)Camphor alloys»;
Akamatsu S., Bottin-Rousseau S., Perrut M.,
Faivre G., Witusiewicz V.T., Sturz L.; J. Cryst.
Growth ; 299 ; 418 ; 2007
[15].
«An experimental method for the in situ
observation of eutectic growth patterns in bulk
samples of transparent alloys»; BottinRousseau S., Perrut M., Picard C.,
Akamatsu S., Faivre G.; à paraître dans J.
Cryst. Growth ; 2007
«Cold wars : a history of superconductivity»;
•
Matricon J., Waysand G.; Rutgers University
Press (Rutgers, NJ, USA), updated edition of
the original french book, translated by Ch.
Glasshauser; 2003
•
«Anisotropy effects in lamellar eutectic
growth» ; Faivre G.; «Solidification Processes
and Microstructures : A Symposium in Honor
of Prof. Kurz W TMS Annual Meeting ;
Charlotte, NC (USA); 2004
•
«Stability of lamellar eutectic growth in thick
samples» ; Akamatsu S., Bottin-Rousseau S.
and Faivre G.; TMS Annual Meeting 2005 ; San
Francisco, CA (USA); 2005
•
« Real-time observation of the dynamics of
lamellar and rod-like eutectic microstructures»;
Akamatsu S., Bottin-Rousseau S., Perrut M.
and Faivre G.; TMS Annual Meeting 2007 ;
Orlando, FL (USA); 2007
Thèses et HDR
•
«Morphological instabilities of a solid-liquid
interface and cellular growth: Insights from
thermoelectric measurements in microgravity
experiments»; Garandet JP., Boutet G.,
Lehmann P., Drevet B., Camel D, Rouzaud A.,
Favier
JJ.,
Faivre
G.,
Coriell
S.,
Alexander JID., Billia B.; J. Cryst. Growth ;
279 ; 195-205 ; 2005
[10].
[13].
« Amélioration de la durée de vie des
détecteurs de gouttelettes de fréon en
surchauffe en vue de la détection de matière
cachée », Morlat T., thèse UPMC, 2004
Cooperations internationales (celles qui ont donné lieu
à publications)
S. Rex (ACCESS e.v., Aix-la-Chapelle,
•
Allemagne)
A. Karma (Northeastern University, Boston,
•
USA)
•
W. Losert (University of Maryland, College
Park, USA)
Autres
Contrats publics
•
CF CNES, BDIE pour la réalisation par M.
Perrut de l'étude : « Dynamique non linéaire
des fronts de solidification eutectique »
(/08/2004-08/2007) G. Faivre
94
•
Akamatsu S., Journée de la Fédération de
Recherches « Dynamique des Systèmes
Complexes », 4 avril 2004, Boucicaut
•
Faivre G., Journées Dautreppe en « Physique
non-linéaire », SFP Rhône-Alpes, oct 04,
Grenoble
•
Akamatsu S., Journée « Anisotropie » du GDR
2871 « Champ de Phase et Application » (Y. Le
Bouar/ M. Plapp), 16 novembre 2005, Institut
Henri Poincaré
Colloques internationaux :
•
Faivre G., « Frontiers in solidification science »
(avec Hoyt, J., Plapp M. et Liu S.), TMS
Annual Meeting 2007, Orlando, FL, USA ;
2007
Ecoles
•
•
95
Faivre G., Ecole d’été du GDR 2871 « Champ
de Phase et Application », 26-31 mars 06, Les
Houches
Faivre G., Training Course « Material Science
in Space », ESA, Nordwijk, NL, 1-2 déc. 2005
96
• Equipe II.5 - Dissipation et relaxations aux interfaces (T. Baumberger)
Permanents : Baumberger Tristan, PU1 ; Bureau Lionel, CR2 ; Caroli Christiane, DR émérite ; Coste Christophe, MC ;
Ronsin Olivier, MC
Non permanents : Martina David, doctorant
Nous développons une approche physique du frottement,
de la fracture et de la plasticité de matériaux mal
ordonnés comme les polymères vitreux, les hydrogels
voire les matériaux granulaires. Frottement et fracture ont
en commun de placer la matière dans des conditions de
fort confinement (à l’interface glissante d’épaisseur
nanométrique ou en tête de fracture) et de solliciter sa
réponse plastique.
D’une manière générale, nous cherchons à identifier des
mécanismes physiques pertinents pour des classes de
matériaux. Ceci suppose une diversité d’approches
expérimentales permettant de séparer les différentes
échelles spatiales et temporelles importantes.
dépend de paramètres comme la pression de confinement
ou la nature des interactions entre les solides, et ainsi
d'évaluer l'effet de ces paramètres sur les mécanismes
dissipatifs élémentaires.
Les travaux réalisés en géométrie sphère/plan portent sur
l'étude d'interfaces modèles formées entre un polymère
vitreux (polymethylmethacrylate, ou PMMA) et un wafer
de silicium oxydé sur lequel est greffée chimiquement
une monocouche organique. Les macromolécules proches
de la surface du polymère sont susceptibles de se piéger
sur le substrat en formant des liaisons hydrogène avec les
groupements Si-OH (silanols) présents sur la couche
d'oxyde du wafer. Le greffage d'organosilanes sur le
wafer a pour effet de passiver ces sites en leur substituant
des groupements –CH3 (les interactions PMMA/silane
sont alors de type Van der Waals). En jouant sur la nature
des silanes et leur densité surfacique, on peut donc faire
varier la densité de sites de piégeage disponibles.
Nous avons ainsi pu montrer qu'en situation de piégeage
"dense", la jonction d'épaisseur nanométrique formée des
segments de chaînes de polymère affleurant la surface se
comporte sous cisaillement comme un solide élastoplastique: elle possède un seuil statique (~30 MPa) audelà duquel, en glissement, la contrainte tangentielle
présente une dépendance logarithmique en vitesse
( = +
ln(V)). Cette dépendance est compatible avec

l'existence, au sein de la jonction, d'un mécanisme de
plasticité qui met en jeu, sous l'effet combiné de la
contrainte appliquée et de l'activation thermique, le
réarrangement de zones élémentaires de taille ~nm3 [6].
À l'opposé, en situation de piégeage "rare", on observe
que : (i) le niveau de contrainte est un ordre de grandeur
plus faible que dans le cas précédent (~2–3 MPa), et (ii)
la contrainte de frottement varie comme Vα, avec α~0.2.
Ce changement spectaculaire dans la réponse de
l'interface suggère fortement que, dans le dernier cas, la
dissipation d'énergie est contrôlée par la rhéologie d'une
couche superficielle de PMMA qui, en l'absence de
piégeage fort, se comporte comme un fluide visqueux
non-newtonien. Cette différence qualitative de
comportement en frottement est par ailleurs cohérente
avec les travaux récents sur la transition vitreuse des
films minces de polymères, qui suggèrent l'existence, à la
surface d'un polymère vitreux, d'une couche d'épaisseur
nanométrique dans laquelle la mobilité des chaînes est
différente de celle du volume, et dépend fortement de la
force des interactions avec le substrat [D.S. Fryer et al.,
Macromolecules 34, 5627 (2001)].
Nous avons ainsi mis en évidence, par des mesures de
frottement, l'analogue d'une "transition vitreuse
interfaciale" induite par les interactions entre le polymère
et le substrat [10].
Par ailleurs, nous avons élaboré des couches de silanes
dont la morphologie permet de se placer en situation de
piégeage intermédiaire entre les deux cas ci-dessus. On
observe alors des caractéristiques (V) qui présentent un
minimum à une vitesse Vc. Le régime décroissant à V<Vc
est la signature d'un mécanisme de piégeage/dépiégeage
du polymère sur le substrat: le nombre de molécules
piégées diminue lorsque la vitesse de glissement
augmente, d'où une décroissance de lorsque V croît. Ce
1) Frottement solide et mécanique de milieux
nanoconfinés
Baumberger T., Bureau L., Caroli C.
Références : [6], [10], [12]
Plus de trois siècles après l'établissement des
lois d'Amontons et Coulomb, l'un des enjeux majeurs de
la physique du frottement solide est encore actuellement
d'identifier les mécanismes élémentaires responsables de
la dissipation d'énergie lors du glissement de deux solides
en contact. Les travaux de l'équipe sur ce thème
découlent d'études antérieures portant sur la dynamique
de glissement à une interface multicontact, i.e. formée
entre des solides macroscopiques présentant des surfaces
de rugosité micrométrique. Ces études nous ont permis
d'établir les bases physiques des lois phénoménologiques
du frottement proposées initialement par Rice et Ruina
[7]. Par ailleurs, nous avons pu mettre en évidence que la
dissipation d'énergie associée au frottement est gouvernée
par la réponse sous cisaillement d’une couche amorphe,
d’épaisseur nanométrique, confinée à l’interface entre les
solides [7]. Pour cerner la nature des mécanismes
dissipatifs élémentaires, il apparaît donc indispensable
d'étudier la rhéologie de cette "jonction adhésive"
nanoconfinée.
Nous avons pour cela mis au point des expériences de
frottement en géométrie de contact unique. Dans ce
domaine, les études de ces vingt dernières années font
appel majoritairement à deux techniques : la microscopie
à force atomique (AFM) [R. Carpick, M. Salmeron,
Chem. Rev. 97, 1163 (1997)] et la machine à force de
surface (SFA) [J. Israelachvili et al., Science 240, 189
(1989)] . Toutefois, les conditions d'étude diffèrent
énormément d'une technique à l'autre, de par les échelles,
les gammes de contraintes ou de vitesses de glissement et
les matériaux mis en jeu. Ceci rend difficile toute
tentative de rationalisation des comportements observés
aux différentes échelles. Dans ce contexte, nous avons
choisi de mener en parallèle des expériences de
frottement en géométrie sphère/plan macroscopique
[6,10] et des mesures en machine à force de surface [12],
et ce sur des interfaces de nature physico-chimique
contrôlée. Ceci nous permet d'étudier la façon dont la
contrainte de frottement, qui caractérise la résistance au
cisaillement de la jonction adhésive entre les solides,
97
mécanisme de piégeage/dépiégeage est effectif pour des
vitesses inférieures à Vc~D/ , où D est la taille
caractéristique des sites de piégeage et un temps de
relaxation des segments de polymère à l'interface.
Lorsque V>Vc, la dissipation d'énergie est, comme dans
le cas du piégeage "rare", contrôlée par la viscosité de la
jonction nanoconfinée, et croît de nouveau comme V .
Nous avons également éclairci le rôle joué par la pression
de confinement dans la réponse en cisaillement de la
jonction adhésive. On observe en effet, dans la gamme de
pression p=10-100 MPa accessible avec le dispositif
sphère/plan: (i) que la vitesse Vc de transition entre les
régimes visqueux et piégé est décalée vers les basses
vitesses lorsque p augmente; (ii) que la viscosité effective
de la jonction augmente avec p. Ces deux points
suggèrent que les temps de relaxation des segments de
polymère à l'interface augmentent avec la pression, et que
les contributions au frottement du piégeage et de la
dissipation visqueuse dépendent ainsi fortement de la
pression de confinement.
Enfin, nous avons établi que, quel que soit le type
d'interaction polymère/substrat,
augmente de façon
quasi-logarithmique avec p. Ceci montre qu'il n'existe
pas, contrairement à ce qui est communément admis, de
relation du type Amontons-Coulomb à l'échelle d'un
n'est pas proportionnelle à p
contact unique, puisque
[6].
Ces expériences en géométrie sphère/plan nous ont donc
permis de mettre en évidence la façon dont la nature de
mécanismes dissipatifs élémentaires dépend du détail des
interactions entre les solides. Le rôle non trivial que
semble jouer la pression de confinement pose ensuite la
question de l'extrapolation des comportements observés
aux pressions plus faibles et plus élevées que celles
utilisées dans notre étude. Nous avons pu montrer que la
croissance quasi-logarithmique de avec p s'extrapole
bien aux pressions plus élevées mises en jeu à une
interface multicontact [6]. Toutefois, il reste à établir la
façon dont les mécanismes que nous venons de décrire
restent pertinents aux faibles pressions de confinement
mises en jeu par exemple dans les expériences en
machine à force de surface (typiquement p<10 MPa).
Nous avons, pour aborder cette question, mis au point
une machine à force de surface originale, ayant les
caractéristiques requises pour l'étude du frottement des
polymères. Le développement de cet instrument a été
rendu possible par l'obtention de crédits d'équipement
CNRS en 2005. La machine est entièrement
opérationnelle depuis janvier 2007. Elle présente des
performances uniques vis-à-vis du contrôle de l'épaisseur,
de la pression imposée et de la déformation de
cisaillement appliquée au milieu confiné [12]. Les
caractéristiques du SFA ont été validées par une série
d'expériences sur des films confinés d'hexadecane. Nous
avons déjà pu, grâce à cet instrument, mettre en évidence
les effets de la vitesse de confinement sur la structuration
et le drainage d'un liquide simple [L. Bureau, preprint
hal-00155950, soumis à Phys. Rev. Lett.].
polymère/substrat. Ceci fera l'objet d'une collaboration
avec Miquel Salmeron (Lawrence Livermore National
Lab, Univ. of California, Berkeley, USA), qui effectuera
un séjour dans notre équipe en 2008.
D'autre part, des résultats récents obtenus avec le
dispositif sphère/plan, qui montrent l'effet de la
température sur le frottement en situation de piégeage
"intermédiaire", viennent corroborer notre interprétation
de la dissipation en termes de dépiégeage/viscosité. Sur
ce point, nous interagissons avec Anael Lemaitre (Institut
Navier, LMSGC), qui débute une étude numérique de
l'écoulement d'un polymère confiné par des parois
présentant des sites de piégeage.
Enfin, les expériences en géométrie sphère/plan se sont
avérées être un outil particulièrement sensible à la
dynamique des chaînes de polymère au voisinage de la
surface. L'étude du frottement statique permettra
d’étudier la question des relaxations lentes et du
vieillissement dans ce milieu amorphe confiné.
2) Fracture et Frottement des hydrogels
Baumberger T., Caroli C., Martina D., Ronsin O.
Références : [8], [9].
Les « hydrogels », réseaux réticulés de molécules
polymères gonflés par un solvant, suscitent un intérêt
croissant, bien au delà de leur champ d'application
traditionnel en agroalimentaire ; en particulier, dans le
domaine du génie bio-médical ils pourraient jouer le rôle
de supports injectables, bio-compatibles et biodégradables, pour la croissance de tissus in vivo
[«Hydrogels for tissue engineering» Lee K.Y. and
Mooney D. ; Chemical Review, 101 : 1869 ; 2006]. Le
contrôle des propriétés mécaniques, rigidité élastique et
résistance à la rupture, constitue dans cette perspective
une étape essentielle qui reste encore largement à l’état
empirique. Les gels de biopolymères (protéines dans le
cas de la gélatine ou polysaccharides dans le cas de l'agar
ou de l’alginate) sont les candidats naturels pour ce type
d’applications. La plupart de ces gels ont la particularité
d'être des gels "physiques" pour lesquels les points de
réticulation sont susceptibles d'être "défaits" par agitation
thermique ou sous l'action d'une contrainte mécanique.
Ces réseaux sont donc transitoires, désordonnés et dans
de nombreux cas, combinent la relative souplesse des
chaînes polymères et la rigidité de zones de réticulation
mettant en jeu des structures complexes en triple hélice
(gélatine), voire des zones partiellement cristallisées
(agar). La présence de solvant rend les gels
"poroélastiques" : à grande échelle ou à temps court le
solvant reste solidaire du réseau mais à temps long et
petite échelle spatiale le réseau est susceptible de diffuser
dans le solvant ; autrement-dit, ce dernier peut être
drainé par un gradient de pression ad hoc. De telles
conditions règnent dans la zone de tête d'une fracture qui
est nécessairement le siège d'une pression négative
(succion). Cette particularité de la fracture des hydrogels
s'accompagne également d'une très grande déformation
de la zone de tête car les contraintes nécessaires pour
faire céder les zones de réticulation excèdent de plusieurs
ordres de grandeur le module élastique du matériau. A
eux seuls, ces deux phénomènes empêchent un traitement
classique de la fracture des hydrogels et expliquent
probablement pourquoi il s’agit là d’un champ
d’investigation encore essentiellement vierge, en
particulier en ce qui concerne les aspects dynamiques.
Perspectives : Ce thème sera dorénavant porté par Lionel
Bureau, CR recruté en octobre 2004. Il sera
principalement axé sur l'étude de la rhéologie de films
de polymères vitreux confinés, à l'aide de la machine à
force de surface qui vient d'être développée. Pour
déterminer dans quelle mesure les résultats obtenus en
SFA peuvent s'extrapoler aux situations impliquant des
pressions plus élevées, il sera nécessaire de mettre au
point, pour ces expériences, des méthodes de contrôle de
la physico-chimie des surfaces analogues à celles
mentionnées ci-dessus, afin de maîtriser les interactions
2.a) Fracture d’un hydrogel réversible –
dynamique et faciès.
98
polymère A. La structure de ces gels est très différente de
celle des gels de gélatine et les mécanismes dissipatifs
mis en jeu sont encore loin d'être compris. En revanche,
nous avons eu la surprise de mettre en évidence un
comportement qualitativement commun à ces deux gels, à
savoir l'existence de deux régimes de fracture, l'un limité
aux basses vitesses pour lequel la fracture laisse un faciès
très rugueux, l'autre, s'étendant aux grandes vitesses
(toujours nettement subsoniques), pour lequel le faciès est
beaucoup plus lisse. C'est ce dernier régime qui a été
étudié extensivement dans le cas de la gélatine. Les gels
triblocs nous ont permis d'étudier beaucoup plus en détail
la transition, voire la coexistence spatio-temporelle entre
ces deux régimes dynamiques.
Dans le cadre de la thèse de David Martina (soutenance
juin 2008), nous avons abordé cette question par l'étude
systématique de la fracture de gels de gélatine, système
sur lequel nous avions acquis précédemment un savoirfaire important (cf. thème 2.b). La gélatine peut être
considérée comme un système modèle en raison des
nombreux paramètres de contrôle expérimentaux
(composition, y-compris celle du solvant, plus ou moins
glycérolé donc visqueux, histoire thermique permettant
de contrôler à composition fixe la rigidité du réseau). A
l'issue de cette étude, nous avons été en mesure de
proposer un mécanisme de fracture de la gélatine mettant
en jeu le débobinage des zones de réticulation et
l'extraction des chaînes hors de la matrice, au prix de la
dissipation visqueuse par frottement sur le solvant. Ce
mécanisme, qui met en jeu plusieurs échelles
caractéristiques du réseau (longueur de contour des
chaînes ≈ 1 µm, distance moyenne entre points de
réticulation ≈ 10 nm) rend bien compte de la forte
dépendance de l'énergie de fracture avec sa vitesse
d'avancée et avec la viscosité du solvant. Il permet en
outre de donner une explication à l'observation empirique
qu'un gel de gélatine est d'autant plus résistant qu'il est
plus rigide, comportement inverse de celui exhibé par les
réseaux réticulés chimiquements. Au delà, en jouant sur
la possibilité de faire diffuser du solvant pur dans une
zone de tête glycérolée, nous avons été en mesure de
déterminer la taille (≈ 100 nm) de la « zone de process »
où se localise la dissipation. Une telle détermination d’un
paramètre essentiel mais généralement inaccessible à la
mesure constitue une première expérimentale.
2.b) Nucléation et propagation de pulses de
glissement à une interface gel/verre.
Nous avons étudié le glissement à l'interface entre un
matériau mou (gel de gélatine) et une surface plane rigide
(verre lisse). Nous avons montré [Baumberger T.,
Caroli C., Ronsin O. ; Phys. Rev. Lett. 88 : 075509-1 ;
2002] que ce système présente un mode de glissement
original par propagation de pulses de glissement autocicatrisants : le glissement n'a lieu que sur une zone
d'extension spatiale finie qui se propage à l'interface dans
la direction du glissement et dont la cicatrisation est due à
une instabilité de frottement en dessous d'une vitesse de
glissement critique Vc. Nous avons complété l'étude de
ces fractures interfaciales par une caractérisation de leur
nucléation et de leur propagation dans deux géométries
complémentaires:
– en géométrie plane (d'extension plus grande que dans
nos précédents travaux) qui permet de contrôler de façon
précise à pression de confinement mais dans laquelle les
bords sont des sites privilégiés de nucléation.
– en géométrie annulaire qui permet d'étudier la
nucléation homogène et la propagation stationnaire mais
dont les conditions aux limites périodiques ne permettent
pas le contrôle de l'état de contrainte local.
Nous avons montré qu’il existe des seuils de contrainte
de nucléation homogène et hétérogènes bien définis et
que la propagation peut avoir lieu dans le sens du
glissement mais aussi dans le sens opposé. La mesure des
caractéristiques des pulses a permis de montrer qu'ils se
propagent de façon stationnaire avec une vitesse
contrôlée par la contrainte de cisaillement, et que leur
longueur et le glissement total qu'ils provoquent sont
contrôlés par le champ de vitesse de glissement via
l'instabilité de frottement à Vc.
En collaboration avec C.Y. Hui (Cornell university,
Ithaca, USA) nous avons développé un calcul analytique
des champs de glissement en élasticité linéaire anti-plane
dans les conditions de la géométrie expérimentale plane,
mais avec une contrainte de frottement interfaciale
linéaire en vitesse de glissement (expérimentalement la
relation est non-linéaire). La confrontation avec les
résultats expérimentaux donne un bon accord qualitatif à
condition de prendre en compte la viscosité interfaciale à
la vitesse moyenne de glissement dans le pulse. Cela
montre la nécessité d'une modélisation plus réaliste de la
contrainte de frottement, nécessitant une analyse
numérique du problème en cours de développement à
Cornell.
Fracture se propageant dans un échantillon de gélatine.
La teinte bleue révèle la nature aléatoire du réseau de
protéines qui diffuse la lumière. (Photo CNRS)
A l'occasion d'une collaboration débutant avec le groupe
de Ken Shull à l'Université Northwestern (USA), nous
avons très récemment (mai 2007) étudié un gel de
copolymères triblocs A–B–A dont la réticulation est
assurée par la formation thermorversible de micelles de
Perspectives : Les hydrogels constituent une classe de
matériaux bien trop divers et complexes pour que la
compréhension de leur comportement mécano-physique
soit épuisée par l’étude d’un système unique. Plusieurs
systèmes émergent qui devraient permettent en
99
clusters contenant quelques unités structurales (atomes,
cellules de mousse, grains...).
particulier d’étudier les caractéristiques spécifiques en
fracture de gels physiques et chimiques :
(i) Les gels d’alginates sont réticulés par des ponts
ioniques entre des portions de chaînes de longueur finie.
Notre modèle de fracture de la gélatine devrait pouvoir
s’étendre au cas de l’alginate dont les applications en
croissance des tissus sont importantes. Tant la gélatine
que l’alginate peuvent être pontés chimiquement (de
façon covalente) ce qui devrait permettre d’observer une
modification graduelle des caractéristiques dynamiques
de la fracturation.
(ii) Les gels de polyacrylamide constituent l’archétype
des gels chimiques. K. Tanaka et al. Eur. J. Phys. E 3 :
395 ; 2000] ont mis en évidence une forte dépendance en
vitesse de l’énergie de fracture qui suggère un rôle
important des chaînes non réticulées. Par ailleurs, en
présence d’un excès de réticulant, ces gels peuvent se
fracturer rapidement (à des vitesses légèrement
subsoniques) [Livne, A. et al, Phys. Rev. Lett 94 :
224301 ; 2005]. Aucune étude systématique n’existe à ce
jour permettant de faire la liaison entre ces deux
régimes.
(iii) Les gels (physiques) d’agar diffèrent des gels de
gélatine par leur plus haut degré d’inhomogénéité
résultant de la nature microcristalline des zones de
réticulation. Il en résulte une mobilité beaucoup plus
importante du solvant. Ces gels devraient permettre
d’accéder plus facilement à des régime de fracture dans
lesquels le solvant peut être drainé hors de zones
étendues sous l’action du gradient de succion en tête.
L’étude récente débutée sur les gels triblocs nous a
prouvé que des systèmes très différents pouvaient
présenter
des
comportements
remarquablement
identiques ce qui ouvre la perspective d’une approche « à
la physicienne » cherchant à identifier les mécanismes
génériques en tirant parti des avantages expérimentaux
des différents systèmes. La gélatine permet de varier la
viscosité du solvant et d’étudier ainsi directement la
dépendance de la transition de faciès rugueux/lisse vis à
vis des propriétés poro-élastiques du gel. En revanche,
aux basses vitesses, le fluage en volume du matériau
empêche tout contrôle des conditions de chargement. Au
contraire, dans les gels tribloc ce contrôle est aisé et il
est possible d’accéder aux caractéristiques énergie de
fracture – vitesse dans les différentes branches
dynamiques. Cette transition de faciès est à rapprocher
de celle qui est observée lors du pelage d’un adhésif
confiné en fine couche . La question essentielle qui se
pose est alors celle de l’échelle spatiale et du mécanisme
d’auto-confinement en tête de fracture qui déclencherait
une instabilité élastique de front permettant de relaxer la
contrainte d’incompressibilité du gel non drainé. La
question du rôle de la poroélasticité en découle
naturellement. Il s’agit en définitive d’identifier les
mécanismes minimaux permettant de comprendre et de
rapprocher les instabilités de faciès observées dans des
gels de structures très différentes.
L'étape qu'il faut maintenant tenter de franchir est celle de
l'élaboration sur cette base de descriptions théoriques
permettant d'aboutir à la formulation de lois constitutives
de contenu physique bien identifié. C'est ce que tentent
deux théories phénoménologiques récentes, dites STZ
[Falk M., Langer J. Phys. Rev E 57, 7192 (1998)] et SGR
[Sollich P. et al. Phys. Rev. Lett. 78, 2020 (1997)].
Toutes deux représentent le solide désordonné cisaillé
comme un ensemble de petites zones (ou pièges)
métastables réparties au hasard dans l'espace et
indépendantes. Le cisaillement appliqué les advecte vers
un seuil d'instabilité où elles basculent vers un état plus
stable (d'où dissipation et déformation irréversible). Les
deux théories supposent que, du fait du désordre de
structure, elles sont en même temps soumises à un bruit
dynamique agissant en parallèle avec l'advection,
modélisé par une température effective indépendante de
la vitesse de déformation.
Une étude numérique récente de Maloney et Lemaitre
[Phys. Rev. E 74, 016118 (2006)], faite à T = 0 et en
régime quasi-statique (où le système a le temps de
s'équilibrer entre les "flips" de zones) remet à notre avis
en question ces hypothèses. Elle montre en effet que la
dissipation se produit par groupes de flips quasisimultanés, ou "avalanches" dont, de plus, la taille
moyenne croît à peu près en L3/2 avec la taille du système.
Ce comportement suggère nettement que les couplages
élastiques entre zones jouent un rôle essentiel, qui doit
être étudié en détail.
Nous avons donc repris les simulations, sur le même
système LJ à 2D, dans le but d'éclaircir ce point.
L'analyse détaillée de l'évolution du champ non affine au
cours du cisaillement, nous a permis de formuler la
description qualitative suivante. Un flip de zone est
l'analogue d'une transformation d'Eshelby : le
réarrangement plastique local donne lieu, en plus de la
chute de contrainte moyenne, à un champ élastique à
longue portée, de moyenne nulle et
de symétrie
essentiellement quadrupolaire, comme prédit par Picard
et al. Ce signal modifie le niveau de chargement élastique
de toutes les autres zones, dont certaines peuvent ainsi
elles-mêmes transiter, etc.. Il s'amorce une avalanche,
dont l'échelle de temps est gouvernée par la vitesse du
son, donc instantanée à l'échelle du taux de déformation
externe. Ce sont ces signaux élastiques qui constituent le
bruit dynamique, dont la fréquence est ainsi gouvernée
par le taux de déformation imposé lui-même.
Ce travail a donné lieu à deux articles, soumis à Physical
Review [arXiv:0705.3122, arXiv:0705.0823]. Le premier
concerne l'étude numérique des corrélations du champ
non affine et de son évolution temporelle, qui est
essentiellement diffusive. Le coefficient de diffusion est
clairement fonction de la taille du système, et croît avec
elle. L'inspection visuelle détaillée de l'évolution nous a
de plus fourni la base de la description
phénoménologique décrite ci-dessus.
Dans le second article nous proposons un modèle
minimal, en champ moyen, pour décrire aussi simplement
que possible ce comportement. Il réduit la dynamique à
celle d'un ensemble de zones identiques interagissant par
le biais du bruit dynamique produit par les champs
élastiques, supposés transmis par un continuum élastique
homogène. Nous montrons que ces ingrédients suffisent à
produire une dynamique plastique intermittente, par
avalanches dont la taille croît avec la taille du système
selon une loi d'échelle. L'exposant, trop faible par rapport
3) Plasticité des solides amorphes en régime
quasi-statique, bruit dynamique et avalanches
Caroli C. en collaboration avec Anael Lemaître, LMSGC,
Institut Navier.
Il est maintenant acquis que, lorsque les solides
amorphes, et plus généralement les solides faibles
(mousses, granulaires confinés,...) se déforment
plastiquement, la dissipation associée a lieu par
l'intermédiaire d'évènements élémentaires localisés. Il
s'agit du réarrangement induit par le cisaillement de petits
100
à celui mesuré numériquement, est très sensible aux
détails du spectre de bruit.
Ces premiers résultats sont certes très encourageants,
mais demandent de nombreux développements.
4.b) Cisaillement d'un milieu granulaire
confiné.
Perspectives : Les résultats que nous avons récemment
obtenus ouvrent de nombreuses questions et demandent des
développements. Nous comptons poursuivre cette
collaboration dans deux directions.
1 - Il est important d'améliorer le modèle que
nous avons construit. En effet, l'approximation de champ
moyen consiste à calculer le bruit en moyennant sur l'espace
la position du flip source. Ce faisant, nous perdons
l'information angulaire liée à la nature quadrupolaire du
signal, qui est vraisemblablement source de localisation du
cisaillement, ce qui devrait se manifester par une
directionnalité des avalanches, qui est en effet discernable
dans les simulations. De plus, une description spatiale des
zones est nécessaire, à terme, pour envisager de prendre en
compte les inhomogénéités de modules élastiques locaux
liées au désordre, certainement importantes pour les
couplages entre zones peu distantes.
2 - Le régime quasi-statique est limité à des taux
de déformation d'autant plus faibles que le système devient
grand (donc les taux de flips plus élevés). Nous voulons
donc tester en détail la validité de simulations du problème
en dynamique moléculaire - la difficulté étant de représenter
de façon physiquement correcte la dissipation d'énergie.
Nous élaborons en ce moment les premiers tests.
4) Milieux granulaires.
Coste C.
Références : [2], [3], [11], [C1]
4.a) Acoustique de milieux granulaires modèles.
Les contacts entre grains sont essentiels pour la statique
et la dynamique des milieux granulaires. En particulier,
ils conditionnent la propagation des ondes acoustiques.
Avec B. Gilles, nous avons étudié un système modèle :
un réseau triangulaire régulier de billes d'acier
nominalement identiques sous contrainte statique
isotrope. Les imperfections des billes font que le réseau
des contacts, à la différence de celui des centres des
billes, est désordonné.
Des expériences à grande
longueur d'onde (10 grains) ont mis en évidence ce
désordre et la réorganisation du réseau des contacts avec
la contrainte par un mécanisme réversible d'activation
progressive des contacts.
Nous avons étendu cette étude à haute fréquence. Une
analyse temps-fréquence des données permet de mesurer
une partie significative de la relation de dispersion dans
le réseau, jusqu'à des longueurs d'onde de l'ordre de 3 ou
4 billes. Des calculs et des simulations numériques
laissaient soupçonner que, même lorsque le réseau suit la
loi Hertzienne cson ~ P1/6, il est loin d'être parfaitement
régularisé. Notre analyse d'ondes dispersives a permis
une vérification expérimentale de ces idées. A des
contraintes telles qu'à basse fréquence le réseau a un
comportement Hertzien, les composantes de plus haute
fréquence du spectre s'écartent visiblement de la relation
de dispersion pour le réseau triangulaire parfait. Ce n'est
qu'aux plus fortes contraintes que l'on observe un bon
accord sur toute l'étendue du spectre accessible. Cette
étude confirme, en le précisant, le caractère réversible de
l'évolution du réseau [1].
Lorsqu’on cisaille un milieu granulaire, il se produit
rapidement une localisation de la déformation le long de
bandes d’une dizaine de grains d’épaisseur.
Les
matériaux granulaires cisaillés se dilatent; cette dilatance
est directement mesurable et son couplage avec les
variables de déformation et de contrainte peuvent être
étudiés.
J'ai construit un dispositif en géométrie
annulaire pour permettre de grands déplacements. On
obtient alors une seule bande parallèle à la direction de
cisaillement.
La dynamique du milieu dépend d'échelles de longueur.
Une distance glissée d'une dizaine de grains suffit pour
atteindre un régime stationnaire à la fois sur le couple et
la dilatance.
Des expériences type "stop-and-go",
consistant à laisser reposer le système sous contrainte,
mettent en évidence au redémarrage un vieillissement
logarithmique du coefficient de frottement effectif. Le
rajeunissement se produit lorsque la déformation à
l'échelle d'un grain correspond à la taille d'un contact de
Hertz, sans évolution de la dilatance, donc sans
réarrangements de l'empilement [3].
Une bande de cisaillement a une certaine stabilité.
Lorsqu'on annule le couple, le milieu répond quasiélastiquement à de petits déplacements (déformation
typique 0.25 %) : une très faible évolution irréversible de
la dilatance est observée, mais le couple répond
linéairement sans hystérésis, définissant une raideur
effective.
Au contraire, des cisaillements alternés
suffisamment longs pour ramener la dilatance à zéro puis
atteindre le régime stationnaire pour le nouveau sens de
rotation détruisent la bande de cisaillement et produisent
une compaction globale du milieu [C1].
Récemment, j'ai étudié l'évolution de la raideur quasiélastique avec la charge normale. Lorsqu'elle varie de
façon monotone, on obtient un effet hystérétique : la
raideur croît avec la charge, puis reste constante lorsque
celle-ci décroît. Une bande de cisaillement est donc
métastable. Le milieu s'adapte à l'augmentation de la
charge afin de la supporter. La raideur mesurée est celle
des chaînes de grains en contact qui soutiennent la charge
normale. Si celle-ci diminue, la structure n'évolue pas,
puisqu'elle reste adaptée, et sa raideur ne varie pas. Il est
possible de tester expérimentalement cette interprétation :
lorsqu'on change la charge, on peut préalablement
détruire la bande de cisaillement en ramenant la dilatance
à zéro. La reprise du cisaillement sous la nouvelle charge
renouvelle la bande de cisaillement, avec cette fois-ci une
structure du milieu adaptée à la nouvelle charge normale.
De fait, l'évolution de la raideur effective des grains
devient réversible. Ces résultats sont en cours de
rédaction.
Perspectives : C. Caroli et B. Velicky [Phys. Rev. E 67,
061301 (2003)] ont montré un effet de réflexion anormale
d'une onde élastique sur une bande de cisaillement. La
détection précoce de ces structures est aussi un problème
d'intérêt pratique : on aimerait disposer de signes
précurseurs de glissement de terrain, longtemps avant le
démarrage du glissement! Je pense que la cellule de
cisaillement annulaire, dont je connais désormais bien la
dynamique, est un très bon système pour étudier cet effet.
Je vais rejoindre en septembre 2007 le Laboratoire MSC
de l’Université Paris-Diderot. Avec M. Saint-Jean, nous
allons étudier la dynamique de bandes de cisaillement
dans des réseaux 2D réguliers et désordonnés de billes
électriquement chargées. Imposer un cisaillement, par
exemple en géométrie de Couette, ne devrait pas poser de
101
problème.
L'avantage de ce système est que les
intéractions entre billes chargées sont connues, ce qui
permet de mesurer les contraintes locales bien plus
facilement que dans un milieu granulaire.
Publications
[1].
[2].
[3].
«Elasticity and onset of frictional
dissipation at a non-sliding multi-contact
interface»;
Bureau
L.,
Caroli C.,
Baumberger T.; Proc. R. Soc. A ; 459 ;
2787 ; septembre 2003
«Huge
Fluctuations
in
Weight
Measurements at the Bottom of a Twodimensional Vertical Sheet of Grains»;
Lévêque E., Gilles B., Laroche C.,
Coste C.; Phys. Rev. Lett.; Vol 92 ;
204301 ; 2004
[9].
[10].
«Surface force apparatus for nanorheology
under large shear strain»; Bureau L.; Rev.
Sci. Instr. ; 78 ; à paraître en 2007
[C1] «Shearing of a confined granular layer: Compaction
under alternate shearing and quasielastic behaviour» ;
Coste C.; Fifth international conference on
micromechanics of granular media, Stuttgart ; 2005
«Friction mechanisms at polymer-solid
interfaces»; Leger L., Hervet H., Bureau
L. ; Compte Rendus Chimie 9(1) ; 80–89 ;
2006
«Transient processes in soft tribology :ageing,
jamming, healing» ; Baumberger T., conférence
d’ouverture 30th Leeds-Lyon Symposium on
Tribology held at INSA de Lyon Villeurbanne,
(France); September 2003
•
«Non-Amontons behavior of friction in
single
contacts»;
Bureau
L,
Baumberger T, Caroli C.; European
Physical Journal E ; 19 (2); 163-169 ;
2006
«Friction and fracture of transient gels»;
Baumberger T.; The 19th Kongsberg Seminar,
Deformation on all Scales Kongsberg
(Norway); 3-5 May 2006
•
«Pressure-dependent rheology in a single
frictional contact»; Bureau L.; Gordon
Research Conference on tribology; juin 2006
•
«Friction in open air: Dirty physics ?» ;
Baumberger T.; ECOSS 24 ; Paris ; 2006
•
«Fracture dynamics of a soft biopolymer
hydrogel»; Baumberger T.; 6th ESF
Nanotribology Workshop ; Sardinia (Italy);
May 13-16, 2007
[5].
[8].
[12].
•
«Sliding Friction at a Rubber/Brush
Interface»; Bureau L., Leger L.; Langmuir
(Article); 20(11); 4523-4529 ; 2004
[7].
« Sound propagation in a constrained
lattice of beads : high frequency behavior
and dispersion relation » ; Coste C. and
Gilles B.; à paraître dans Phys. Rev. E ;
2007
«Shearing of a confined granular layer:
Tangential stress and dilatancy»; Coste C.;
Phys. Rev. E ; Vol 70 ; 051302 ; 2004
[4].
[6].
[11].
«Solid friction from stick-slip down to
pinning and aging»; Baumberger T,
Caroli C.; Advances in Physics ; 55 (3-4);
279-348 ; 2006
«Solvent control of crack dynamics in a
reversible hydrogel»; Baumberger T,
Caroli C, Martina D.; Nature Materials ; 5
(7); 552-555 ; 2006
Contrats publics
«Fracture of a biopolymer gel as a
viscoplastic disentanglement process»;
Baumberger T, Caroli C, Martina D.;
European Physical Journal E ; 21 (1); 8189 ; 2006
«Frictional Dissipation and Interfacial
Glass Transition of Polymeric Solids»;
Bureau L , Caroli C, Baumberger T.;
Physical Review Letters ; 97(22); 2255014 ; 2006
102
•
ACI Jeunes chercheurs : « Physique de la
perception
tactile »
(10/2003-10/2006) ;
Baumberger T.
•
BQR Recherche P7 (04/2005) Baumberger T.
•
Crédits mi-lourds 2005 SPM « Spectomètre
imageur- détecteur CCD-source lumineusecomposants optiques et positionnement piezo
pour la machine de force » ; Bureau L.
Equipe II.6 - Des agrégats aux surfaces, couches minces et nanostructures : Perturbations dynamiques fortes
(D. Vernhet)
Permanents : Lamour Emily, MC ; Prigent Christophe, MC ; Mérot Jacques, IE1 ; Rozet Jean-Pierre, PU1 ; Vernhet
Dominique, DR2
Non permanents : Haranger Fabien, ATER UPMC (2003-2004) ; Pesic Zoran, Post-doctorant UPMC (2005) ; Burgdörfer
Joachim, Professeur invité UPMC (février 2007), Prigent Christophe (soutenance en 2004) ; Nacer Adrouche, doctorant
(soutenance 2006) ; Healy Erwan, doctorant (soutenance prévue 2008), Êberhardt Benjamin, stagiaire, Université de MainzAllemagne (3 mois 2007)
d’aboutir, récemment, à une description du transport des
ions dans la matière avec une précision inégalée et en
utilisant l’espace des phases approprié (quantique ou
classique) selon l’observable que l’on cherche à décrire.
Ces nouvelles théories apportent des éléments essentiels
pour décrire la perte d'énergie des ions dans la matière
par des calculs ab initio et pour contrôler la production de
faisceaux intenses dans les machines de nouvelle
génération.
Différentes campagnes d’expériences, menées
auprès du GANIL 4, nous ont permis d’atteindre une
précision extrême dans les mesures de différentes
observables grâce à la qualité optique exceptionnelle des
faisceaux intenses délivrés, pour une large gamme d’ions
lourds, et du régime des hautes vitesses aux vitesses
intermédiaires. Les populations relatives et absolues des
états excités (n,l,m) du projectile ont ainsi pu être
déterminées en fonction de l’épaisseur de cible, i.e. du
temps de transit de l’ion dans la cible, ou encore du
nombre de collisions que l’ion subit pendant son
transport. Les techniques expérimentales, développées
spécifiquement, sont basées sur la spectroscopie X et
présentent l'originalité de pouvoir tester la dynamique de
la réponse du milieu traversé sur des échelles de temps
très courtes (10-15s).
Au niveau théorique, le défit était de prendre en
compte sur un même pied d'égalité les différents effets de
mélange des états excités du projectile (collisionnel ou
collectif), induits lors du transport, et d'aboutir à des
calculs ab initio à partir d'un traitement correct de la
cible. D'énormes progrès ont été effectués et quatre types
de modèles complémentaires ont été développés pour
expliquer les résultats obtenus :
- deux approches déterministes basées sur la
résolution d’un système d’équations pilotes sous un
formalisme
quantique:
l’une
étant
purement
collisionnelle (QCM : Quantum Collisional Model) et
dans laquelle l’évolution de chaque état nl dans
l’environnement solide est décrite par un système
d’équations différentielles couplées prenant en compte les
différents processus collisionnels au travers des sections
efficaces ion-atome ; l’autre décrivant le transport en
traitant l’évolution complète de la matrice densité et en
incluant donc le transport des cohérences au travers des
termes non-diagonaux (MEA : Master equation
approach). La formulation de matrice densité inclut
explicitement le couplage Stark (effets collectifs) induit
par le champ électrique de sillage ainsi que les aspects
collisionnels
- deux approches stochastiques basées sur une
simulation Monte Carlo : l’une purement collisionnelle,
traitant la perturbation due au transport dans le solide par
une force stochastique représentant les diffusions
L’équipe s’intéresse à la dynamique d’interaction
d'ions multichargés ou de pulses laser intenses avec des
milieux complexes tels que les solides amorphes ou
cristallins et plus récemment les agrégats. Ces deux types
de « sources » conduisent à une excitation de la matière
dans des conditions extrêmes (production d’états très
excités en champ électrique intense - supérieur à qqs 109
V/cm) et nos études portent sur la compétition temporelle
à l’échelle subpicoseconde des différents mécanismes
impliqués, qu’ils soient collectifs ou individuels.
1) Transport des ions dans les solides
Healy Erwan, Lamour Emily, Rozet Jean Pierre, Vernhet
Dominique
Références : [1], [3], [5], [6], [7], [8], [9], [C9], [C13],
[C22], [CI.1], [CI.4]
L’étude de l’interaction d’un ion lourd rapide
avec la matière peut être abordée de deux façons
différentes. On peut s’intéresser aux modifications de la
cible, comme la formation de traces latentes dans les
isolants, ou la fragmentation de petites molécules ou
d’agrégats. Une autre alternative est d’étudier ce qui
arrive au projectile comme sa perte d’énergie, l’évolution
de son état de charge, la population de ses états excités.
En réalité, ces deux aspects sont intimement reliés. A titre
d’exemple, signalons qu’un simple changement d’état de
charge du projectile a des conséquences directes sur son
dépôt d’énergie dans le matériau et donc sur les
modifications de la cible. De la même façon, la "réponse"
de la cible au passage de l’ion aura des conséquences
directes sur l’ion incident lui-même, entraînant des
modifications de la population de ses états excités. Nos
études portent sur la production et le transport des états
excités du projectile qui sont utilisés comme "sonde" du
matériau traversé.
La diffusion d’un ion par un solide offre la
possibilité quasi unique de traiter un système isolé (l’ion)
en contact avec un réservoir complexe (le solide). En
maîtrisant les conditions de collision (numéro atomique,
charge, vitesse et niveaux excités du projectile) nous
avons pu explorer, pour différents systèmes, les domaines
allant de la condition de collision unique à l'équilibre des
populations et montrer que les différentes observables
expérimentales présentaient une sensibilité plus ou moins
prononcée à l’environnement "solide". Si pour la
distribution de l’état de charge du projectile, par exemple,
l'interaction ion lourd-cible solide peut être décrite par
une succession de collisions binaires individuelles, de
sections efficaces identiques à celles des processus
élémentaires de l’interaction ion-atome, des effets
collectifs et spécifiques dus au milieu traversé ont pu être
mis en évidence par des mesures précises des sections
efficaces n,l,j,mj. Ces résultats ont initiés des
développements théoriques nouveaux qui ont permis
4
103
GANIL : Grand Accélérateur National d’Ions Lourds
multiples que subit l’orbite de l’électron du projectile, qui
elle est décrite dans l’espace des phases classique (CTT :
Classisal Transport Theory) ; l’autre pour laquelle
l’analyse de l’évolution du système est faite en résolvant
l’équation de Lindblad non-unitaire et en appliquant un
transport Monte Carlo quantique.
Ces dernières années, un effort particulier a été dédié à
ces divers développements théoriques qui ont été menés
en étroite collaboration avec l’équipe de J. Burgdörfer
(Institut de Physique de Vienne- Autriche), C. Reinhold
(Oak Ridge National Laboratory- Tennessee USA) et B.
Gervais ( CIRIL- Caen). A noter que ce travail théorique
a donné lieu à la thèse PhD que Marek Seliger de TUWien a soutenue en juin 2005 et fait partie intégrante de
l’habilitation à diriger des recherches que Benoit Gervais
a présentée en décembre 2005 ; notre implication dans les
jurys respectifs découlait du travail mené en commun.
mélange collisionnel est quant à lui prépondérant aux
grands temps de transit de l'ion au travers du matériau. Le
degré de précision atteint par les théories les plus récentes
(MEA ou QTT) permet de tester au travers des
battements quantiques observés non seulement la valeur
du champ électrique effectif sur les niveaux étudiés mais
aussi les éléments diagonaux et non diagonaux de la
matrice densité reliés au processus initial de peuplement
des états excités -le processus de simple capture ou le
processus de simple excitation. Par ailleurs, en ce qui
concerne plus particulièrement le milieu "cible", ces
travaux montrent que non seulement les électrons
externes mais aussi ceux des couches profondes des
atomes de la cible participent au champ électrique effectif
sur le niveau excité de l’ion étudié.
Dans ce contexte, l’équipe a aussi eu des
collaborations fructueuses sur toute une série d’études
dédiées à des processus électroniques spécifiques
affectant le projectile qui peuvent être mis en évidence et
mesurés lorsqu’un ion lourd traverse une cible solide en
condition de canalisation – ce travail, qui s’effectue au
travers d’une large collaboration impliquant un grand
nombre de scientifiques étrangers, est à l’initiative de
chercheurs de l’équipe II.1 de l’INSP et de l’équipe
Collisions Atomiques dans les Solides de l’IPN (Lyon) et
ne sera donc pas détaillé dans cette partie de rapport (voir
activités de l’équipe II.1 de l’INSP).
a) Production et transport des états de
Rydberg : validité des approches collisionnelles
Dans le cas des états de Rydberg (ici de n compris
entre 10 et 30), la confrontation entre les résultats
expérimentaux et les différentes prédictions théoriques
montre qu’une description de type collisionnel, qu’elle
soit "quantique ou classique" est en très bon accord
lorsque l’ion subit entre 0.6 et 6 collisions en moyenne
dans le solide. Néanmoins, lorsque la population d’états
de Rydberg de n très élevé devient importante (soit pour
les cibles les plus épaisses pour lesquelles le nombre de
collisions devient 100 fois plus grand), l’approche
stochastique (CTT) est nettement mieux adaptée – le
modèle d’équations pilotes (QCM) étant lui limité par le
nombre d'états (et donc de sections efficaces ion-atome)
que l'on inclut. Ces études détaillées permettent ainsi de
conclure sur différents points qui ont été sujets à
controverse:
- la population des états de Rydberg résulte des
effets de transport de l’ion au travers de toute la cible
solide et n’est pas due uniquement à des effets de surface
- pour ces états de n et l élevés, les sections
efficaces d’excitation inter- et intra-couche sont si
importantes que les effets collisionnels sont
prépondérants et les effets collectifs, dû au champ de
sillage, n'ont ici qu'un rôle mineur.
Figure 1. Populations relatives 2p1/2 /2p3/2 de l’Ar17+ en fonction
de l’épaisseur des cibles de carbone: points expérimentaux
(symbols); prédictions QTT (trait plein) ; prédictions QTT
relativistes (REA , tirets); les prédictions du MEA sont très
proches de celles de QTT
b) Production et transport des états excités de
coeur : mise en évidence de la réponse collective du
milieu
Si l'on s'intéresse par contre à la population nl
des états de cœur –états internes- du projectile, toute une
série de mesures sur différents systèmes de collision nous
a permis de mettre en évidence un mélange de moment
angulaire l-l’ des états internes beaucoup plus intense et
plus rapide que ne le prévoient les approches purement
collisionnelles, et ce quel que soit le type de traitement
utilisé – classique ou quantique, déterministe ou
stochastique. Elles permettent ainsi de distinguer et de
quantifier le rôle des processus en compétition: le
mélange Stark induit par le champ de sillage (peuplement
"cohérent" des états) et le mélange collisionnel
(peuplement "incohérent"). En particulier, la polarisation
du milieu qui correspond à la réponse collective des
électrons cibles se traduit par l’établissement "instantané"
(temps très inférieurs aux temps de collision et de
désexcitation de l’état peuplé) d’un fort champ électrique
(le champ de sillage). Par des mesures extrêmement fines
des populations des sous états de structure fine nljmj
d'ions hydrogénoïdes rapides en fonction de leur temps
de transit dans la cible, nous avons montré que ce champ
électrique, atteignant des valeurs ≥109 V/cm, avait un rôle
prépondérant aux temps de transit courts (voir fig.1). Le
Perspectives : Les résultats obtenus ont en effet
révélé un certain nombre de points importants restant en
suspens comme :(i) la validité des conditions initiales de
la matrice densité, en particulier au niveau des termes
des cohérences ; (ii) le rôle du transport des cohérences
par mélange collisionnel ; (iii) la pertinence du
traitement de l'interaction électron cible-électron
projectile pour des électrons peu liés (de n=5 à 12)ou
encore (iv) la limite de validité des traitements
classiques. C'est dans ce cadre qu’a été réalisée, une
expérience dédiée à la détermination extrêmement
précise de la population des sous états de structure fine et
de leur évolution de la phase gazeuse (i.e. détermination
des cohérences initiales) à la phase solide jusqu’à
l’équilibre des populations et pour les niveaux de n=2 à
12 de projectiles Ar17+ ou Ar16+ produits initialement par
simple ou double capture respectivement. La précision de
ces nouveaux résultats expérimentaux met en évidence,
en particulier, un fort mélange Stark entre 2s1/2 et 2p1/2 en
phase gazeuse qui reste encore inexpliqué même par les
théories les plus sophistiquées (figure 1). La poursuite de
l’analyse des résultats expérimentaux et leur
interprétation fait l’objet de la thèse d’Erwan Healy,
actuellement en cours.
104
(d'environ 4,4 keV) émis avec des agrégats de xénon.
Mais c’est sur la détermination de la dynamique
temporelle sub-picoseconde de la création de nanoplamas
à l'échelle des agrégats que nos mesures expérimentales
conduisent à des résultats totalement nouveaux alors que
les mécanismes impliqués dans le mode de chauffage des
électrons initialement produits par l’ionisation due au
champ laser font l’objet de nombreuses controverses. Les
lacunes en couche interne, à l’origine de l’émission X,
étant produite par impact électronique, la spectroscopie
caractéristique de ce rayonnement peut donc être
considérée comme un "thermomètre" pour les électrons
chauds dans l’agrégat, puisqu’elle sonde la contribution
haute énergie de la distribution énergétique des électrons.
Pour ne citer ici que les résultats les plus marquants
obtenus concernant le taux d’émission X et ce quelque
soit le type d’agrégat (Ar, Kr ou Xe), nous
mentionnerons :
- la mise en évidence d’un effet de saturation du taux
d’émission X en fonction de l’intensité laser (variation en
I3/2) ainsi que de la probabilité d’émission X en fonction
de la taille des agrégats
- la détermination d'un seuil en intensité laser très
"bas", de 2 à 3 1014 W/cm2, qui correspond en fait à
l’intensité "seuil" pour ioniser les tous premiers électrons
de l’argon ou du xénon par effet de champ (Optical Field
Ionization)
- la mise en évidence d'un temps de chauffage
optimum des électrons lorsque l’on explore la dynamique
temporelle de l’interaction en faisant varier la durée du
pulse tout en conservant l’énergie laser constante.
Ces travaux sur les cohérences des états excités
d’ions lourds hydrogénoïdes et leur transport dans des
cibles solides en condition "random", sont toujours très
actuels et leur poursuite a été explicitement et fortement
recommandée par le comité d’évaluation international du
GANIL en février 2006.
2) Interaction laser intense-agrégats
Lamour Emily, Prigent Christophe, Rozet Jean Pierre,
Vernhet Dominique
Références : [2], [4], [10], [C1], [C2], [C3], [C4], [C5],
[C6], [C7], [C8], [C10], [C11], [C12], [C14], [C15],
[C16], [C18], [C20], [C21], [CI.2], [CI.3], [CI.5],
[CI.6], [CI.7], [CI.8], [CI.10]
Si un ion multichargé induit dans la matière une
forte densité d'excitation électronique, il en est de même
si on utilise comme source excitatrice une impulsion laser
de puissance. Par ailleurs le comportement des agrégats
libres, objets mésoscopiques, est un domaine encore
largement inexploré alors qu'ils correspondent à la phase
transitoire entre les états gazeux et solide. Ce domaine de
recherche est très actif et la plupart des études se sont
intéressées à la caractérisation des émissions électronique
et ionique dans des agrégats de gaz rares (Ar, Kr, Xe).
Alors que la spectroscopie d’ions et d’électrons émis
permet d’extraire des informations sur le système
quelques microsecondes après le pulse laser
femtoseconde et donc la désintégration de l’agrégat, la
spectroscopie X, que nous avons utilisée, permet de
sonder l’interaction sur des échelles de temps courtes, i.e.
à partir de qqs dizaines de femtosecondes. Même si seuls
les ions ayant des lacunes en couche interne contribuent
au signal, cette technique permet d’accéder à l’évolution
dynamique de l’agrégat irradié, et donc aux mécanismes
impliqués, sur une échelle de temps comparable à celle de
la durée du pulse laser. En effet, le problème posé est de
comprendre comment les électrons produits initialement
par ionisation multiphotonique atteignent une
température suffisamment élevée pour générer, par
impact électronique, une production importante d'ions
multichargés possédant des lacunes en couche interne et
ce au tout premier stade de l’interaction.
Les campagnes d’expériences effectuées auprès du
LUCA 5 ont permis de déterminer les taux de production
absolus de photons (XK ou XL) émis dans le domaine du
keV par des agrégats multichargés d'(Ar)n, ou de (Kr)n et
(Xe)n respectivement (avec n compris entre 103 et 106
atomes par agrégat). L’évolution précise de ce taux ainsi
que de la distribution en état de charge des ions émetteurs
a été mesurée en fonction de l’intensité, la longueur
d’onde et la durée du pulse laser ou encore la taille des
agrégats. Pour extraire des données significatives, un soin
tout particulier a été porté au contrôle de différents
paramètres qui jouent un rôle important dans la
dynamique d’interaction, i.e., la taille du beam waist, le
profil énergétique du laser ou encore les effets
d’aberration jouant sur la durée du pulse laser. Par
ailleurs, les spécificités de nos techniques de
spectroscopie X nous permettent d’enregistrer le taux
d’émission lors de l’interaction d’un pulse laser avec un
pulse d’agrégats et ce, pulse par pulse, ce qui garantit la
reproductibilité des résultats.
Nos études ont démontré le potentiel des
agrégats de gaz rares irradiés par des pulses laser intenses
en terme de source X non polluante et renouvelable, en
mesurant, dans des conditions optimales, jusqu'à 109
photons/pulse laser dans 4π, quasi-monoénergétiques
610 fs
150 fs
60 fs
Figure 2. Dépendance du taux absolu d’émission X en fonction
de l’intensité pour des agrégats d’argon de 3,7 104 atomes
irradiés par des pulses laser IR de durées variables. Les
prédictions CTT (symboles pleins) et les résultats expérimentaux
(symboles ouverts) sont comparés en supposant un taux de
condensation des atomes dans l’agrégat de 5%.
Les effets de saturation observés en fonction de
l’intensité laser et de la taille des agrégats démontrent
tous les deux, de façon cohérente, que le taux d’X dépend
du nombre d’atomes contenus dans le volume focal
effectif, i.e. le volume dans lequel l’éclairement seuil pour
la production d’X est atteint. Ce résultat est d’importance
tant au niveau fondamental qu’appliqué. Il permet
d’établir que la probabilité d’ionisation en couche interne
est pratiquement constante au dessus de la valeur seuil en
éclairement laser. On peut également directement en
déduire que l’optimisation de la production X n’est pas
obtenue en délivrant une puissance laser maximale dans
un petit volume mais, contrairement aux idées admises
jusqu’alors, en maximisant le nombre d’agrégats (et donc
le volume) pour lequel le seuil en éclairement est atteint.
Les valeurs extrêmement basses de seuil en
éclairement trouvées expérimentalement ont initié des
développements théoriques nouveaux. En effet, à ces
valeurs d’intensité laser, les lacunes en couche interne ne
5
LUCA : Laser Ultra Court Accordable du SPAMDRECAM, CEA Saclay
105
peuvent en aucun cas être produites directement par OFI.
Ces résultats démontrent que des mécanismes de
chauffage très efficaces s’établissent dès les premiers
stades de l’interaction, et sont capables de produire des
électrons d’énergie supérieure à l’énergie de liaison des
couches K ou L. Ces observations sont en désaccord avec
le modèle nanoplasma, couramment utilisé pour
interpréter la majeure partie des résultats obtenus sur la
production
d’ions
et
d’électrons.
Basé
sur
l’approximation dite de "plasma froid", ce modèle prend
en compte le chauffage des électrons par le champ
électrique du laser ainsi que par absorption collisionnelle
de photons et présume une "pure" distribution
Maxwellienne pour les électrons dont l’énergie moyenne
ne dépasse pas, dans les cas considérés ici, les qqs
centaines d’eV. En appliquant des concepts issus du
domaine des collisions des ions avec la matière, nous
avons très récemment élaboré un traitement théorique
beaucoup plus complet basé sur une approche de
transport classique des électrons en champ moyen (CTT),
dans le cadre d’une collaboration étroite avec Joachim
Burgdörfer et Cornelia Deiss (étudiante PhD) de TUWien, Autriche. Ce traitement Monte-Carlo permet
d’inclure les inhomogénéités des distributions
énergétiques des ions et des électrons y compris pour des
gros agrégats (i.e. de plus de 104 at./agrégats). Ces
simulations prennent en compte l’effet du mouvement
collectif des électrons (force pondéromotrice sous
l’action du champ laser), les collisions électrons-ions
mais aussi l’effet de l’évolution de la charge de l’agrégat
(composante monopolaire et dipolaire). Les premières
comparaisons expérience-théorie présentent un accord
très satisfaisant de l’évolution du taux de production de
rayonnement X en fonction de l’éclairement laser ainsi
que de la distribution d’état de charge à fort éclairement
laser. Ces résultats démontrent que si la majorité des
électrons sont accélérés par la force pondéromotrice sous
l’action du champ laser et gagnent ainsi peu d’énergie
(comme dans le modèle nanoplasma), les électrons, qui
initialement contribuent à la partie haute énergie de la
distribution énergétique, évoluent très différemment : ils
sont fortement accélérés à la fois par la composante
monopolaire du champ due à la charge de l’agrégat ainsi
que par le champ laser qui est exalté par l’action de la
polarisation de l’agrégat aux pôles. Les prédictions
théoriques de la dépendance de ces mécanismes de
chauffage en fonction de la durée du pulse laser reflètent
bien les observations expérimentales (figure 2).
L’ensemble des résultats expérimentaux a fait l’objet de
la thèse de Christophe Prigent, soutenue en décembre
2004 et les développements théoriques constituent le
travail de la thèse de PhD de Cornelia Deiss actuellement
en cours.
ayant des lacunes en couche interne, l’importance des
processus d’excitation à faible éclairement laser et la
contribution relative des processus de recombinaison
pendant l’explosion de l’agrégats…. Pour terminer, on
mentionnera que la taille moyenne (voire la distribution
en taille) et le taux de condensation des agrégats
nécessitent des investigations expérimentales plus
poussées si l’on veut aboutir à la détermination de
valeurs absolues de section efficace des processus en jeu.
Ces données, comme on le verra dans la suite de ce
rapport, devraient pouvoir être déterminées en mettant à
profit les propriétés spécifiques des collisions avec des
ions lents multichargés.
3) Interaction ions lents-agrégats et surfaces
Adrouche Nacer, Healy Erwan, Lamour Emily, Mérot
Jacques, Pesic Zoran, Prigent Christophe, Rozet Jean
Pierre, Vernhet Dominique
Références : [C17], [C19], [C23], [CI.9]
Un travail principalement instrumental a été
réalisé autour de la source d’ions lents multichargés,
SIMPA 6, que nous avons installée en 2003,
conjointement avec une équipe du LKB 7. Elle est
maintenant opérationnelle et nous avons mené une
première série d'expériences dédiées à l’étude du plasma
de la source en fonction de divers paramètres (puissance
HF, gaz porteur, etc…), en caractérisant les espèces
ionisées produites par spectroscopie cristalline dans le
domaine X. En dehors de l’obtention de résultats
essentiels à la faisabilité de futures mesures extrêmement
précises sur la structure atomique d’ions lourds multiionisés, ces études nous ont permis de maîtriser le
fonctionnement de la source et d’en optimiser les
performances. En particulier, nous avons déterminé pour
les ions de gaz rares (du Ne au Xe) les températures et les
densités électronique et ionique, en corrélant les
intensités des ions produits dans le plasma à celles des
ions extraits. Ces travaux ont fait l’objet de la thèse de
Nacer Adrouche soutenue en septembre 2006.
Perspectives : Même si ces résultats ont ouvert de
nouvelles pistes dans la compréhension des mécanismes
de chauffage des électrons, spécifiques aux agrégats,
lors de leur irradiation par des pulses laser intenses, un
certain nombre de résultats obtenus sont encore
inexpliqués et méritent des investigations théoriques plus
approfondies. Il s’agit, par exemple de l’invariabilité de
la distribution d’états de charge en fonction de
l’éclairement laser ou son évolution lorsque la taille des
agrégats varie, ou encore de la faible dépendance de la
probabilité d’émission X avec la longueur d’onde du
laser quand on passe du domaine IR à l’UV.
Par ailleurs, ces premières confrontations
expérience-théorie appellent tout naturellement d’autres
questions et débouchent sur de nouvelles analyses et
mesures pour répondre à des questions comme la
répartition spatiale dans l’agrégat des ions multichargés
Figure 3. Source ECR SIMPA (à droite) et ligne de faisceau sur
laquelle est monté, en bout de ligne, l’ensemble expérimental
pour l’étude de l’interaction ions lents-agrégats : le jet
d’agrégats, au premier plan à gauche ; le spectromètre ionique en
bout de ligne à gauche; le spectromètre cristallin en géométrie
verticale, en arrière plan à gauche.
En parallèle, nous avons fourni un effort important au
niveau du développement de l’ensemble instrumental
dédié à l’étude de l’interaction ions lents-agrégats de gaz
6
SIMPA : Source d’Ions Multichargés de PAris
LKB : Laboratoire Kastler Brossel; équipe de Paul
Indelicato
7
106
rares. Pour ne citer que les plus importants, on peut
mentionner la réalisation d’un nouveau jet d’agrégats qui
donne accès à une plus large gamme de tailles et à la
possibilité de moduler la densité moyenne dans le jet.
Nous avons aussi conçu et mis en oeuvre un spectromètre
d’ions, qui nous permet de distinguer les collisions
frontales (caractéristiques de ce qui se passe dans le
volume de l’agrégat), des collisions rasantes (sensibles à
la surface). Cet ensemble instrumental est totalement
opérationnel depuis janvier 2007 (figure 3) et des
résultats prometteurs ont été obtenus pour le système
Ne9+ (126 keV) sur agrégats d’argon. Malheureusement,
depuis septembre 2006, l’environnement du chantier sur
Jussieu rend strictement impossible l’obtention de
faisceaux suffisamment stables, nécessaires à la
réalisation de ce type d’expériences ! En conséquence, la
problématique scientifique que nous comptons aborder
sera ici décrite dans les perspectives.
dont nous disposons à l’INSP, fournissent des atouts forts
permettant de développer de façon originale cette
thématique et le programme prévu couvrira plusieurs
aspects nouveaux. Nous envisageons notamment, en
comparant directement la réponse des agrégats libres à
celle d’agrégats déposés, d’étudier l’influence du type de
surface utilisée. Nous nous proposons de démontrer
qu’un choix judicieux de la vitesse, de la charge et de
l’angle d’incidence des ions permet d’interagir
sélectivement avec une région spécifique d’une surface
nanostructurée comme avec des surfaces auto-organisées
N/Cu(100). Inversement, connaissant les caractéristiques
spatiales de la surface, on pourra en déduire des
informations inédites sur la distance d’interaction à
l’échelle du nanomètre. Par ailleurs, en utilisant la
spectroscopie X de haute résolution, nous pensons être
capables d’identifier les ions ayant interagi avec la partie
magnétique d’une surface en déterminant la population
relative des états singulet et triplet dans le cas d’un ion
héliumoïde après interaction, par exemple, avec des
nanoplots de Fe (de 1 à 20 nm de diamètre) déposés sur
un composé semiconducteur. Même si cet axe de
recherches s’inscrit dans le long terme, un certain
nombre de développements techniques sont déjà à l’étude
voire en cours de réalisation. Il s’agit en particulier d’un
piège électrostatique dont la mise au point est assurée
par l’équipe du LKB qui nous permettra de faire varier
avec une finesse inégalée l’état de charge, la vitesse et
l’angle d’incidence d’ions très lents (qqs eV) sur une
surface. Ce projet fait partie intégrante d’une demande
d’ANR déposée en 2006, qui a été acceptée, et qui inclut
aussi dans une deuxième phase, l’installation d’une
nouvelle source ECR supraconductrice (SUPERSIMPA).
Cet instrument permettra d’accroître fortement les
capacités de l’installation en fournissant des faisceaux
beaucoup plus intenses et des ions de numéro atomique
élevé plus chargés.
Tant au niveau expérimental qu’au niveau
théorique, le programme que nous souhaitons mener à
bien est très vaste, et ceci nous a conduit à nouer ou
renforcer de nombreux contacts avec des laboratoires
Français ou Européens tels que: TU Vienne (J.
Burgdörfer et son équipe) qui nous apporte un soutien
théorique, le CIRIL (L. Adoui, B. Huber et L. Maunoury)
et KVI (R. Hoekstra et T. Schlatholter) qui participent
activement à la prochaine campagne d’expériences sur
les agrégats, sans compter notre participation au réseau
européen ITSLEIF. Enfin nous sommes engagés dans la
collaboration internationale SPARC 8 dans le cadre du
projet FAIR 9, plus particulièrement dans les "working
groups" dédiés à la spectroscopie X et à l’interaction
ions lents-surfaces. L’ensemble de ces projets a bénéficié
à plusieurs reprises d’un soutien des tutelles sous
diverses formes (soutiens financiers et bourse Postdoctorale) qui sont répertoriés ailleurs dans ce rapport.
Perspectives : Les ions lents multichargés
permettent de créer des modifications à l’échelle
nanométrique, localisées en surface et de façon très
sélectives, car elles dépendent fortement de la charge et
de la vitesse de l’ion ainsi que du matériau "cible"
(conducteurs, semi-conducteurs ou isolants). Nos
objectifs premiers sont d’exploiter les propriétés connues
des collisions ion-atome dans ce régime de basses
vitesses, où le processus de capture est dominant, pour
caractériser différents types d’agrégats et étudier leur
comportement – ces études constituant une première
étape vers l’interaction ions lents –surfaces.
Avec des agrégats de Van der Waals (de qqs nm à
qqs dizaines de nm), nous voulons déterminer la
dynamique de l’interaction en fonction du paramètre
d’impact et en particulier distinguer les collisions ayant
lieu en surface de celles qui ont lieu dans le volume.
Dans chacun des cas les mécanismes en jeu sont très
différents : i) en surface, les ions n’interagissent qu’avec
quelques atomes, capturent donc peu d’électrons et
gagnent quelques dizaines d’eV via le processus de
capture, ii) dans le volume, à l’inverse, les ions
traversant l’agrégat vont subir une série de processus
séquentiels (multicollisionnels) qui conduira à un état de
charge stabilisé beaucoup plus faible et une perte
d’énergie de quelques centaines d’eV. Cette distinction,
entre surface et volume, offre la possibilité d’effectuer
des mesures difficilement accessibles par d’autres
techniques expérimentales comme la détermination
précise de la taille et du taux de condensation de ces gros
agrégats tout en contrôlant leur mode de production.
L’étude de la compétition entre les différents processus et
la recherche d’effets collectifs possibles dans ces cibles
denses apporteront aussi des éléments clés dans la
compréhension de la dynamique d’interaction. En outre,
le caractère fortement isolant des agrégats de gaz rares
(gap > 10 eV) nous offre la possibilité d’étudier la
dynamique d’interaction ion - surface isolante, qui pour
l’instant n’a été investiguée qu’en envoyant des ions lents
sur des cristaux ioniques (LiF par exemple). Pour
parfaire ces études, et accéder à des états de charge plus
élevés que ce que la source SIMPA peut délivrer
actuellement, une campagne d’expérience avec des ions
Ar17+ est programmée en janvier 2008 sur la ligne d’ions
multichargés de basse vitesse du GANIL.
L’étude des interactions d’ions multichargés
avec des surfaces, nécessitant la mise en œuvre de
techniques UHV, se fera dans une seconde étape et
bénéficiera, tant au niveau expérimental que théorique,
de la compréhension des mécanismes que nous aurons
acquise avec les cibles d’agrégats de gaz rares. De plus,
l’environnement scientifique et les moyens techniques,
8
SPARC: Stored Particle Atomic Research
Collaboration;
http://www.gsi.de/zukunftsprojekt/experimente/sparc/ind
ex_e.html
9
FAIR: A Facility for Antiproton and Ions Research – an
international facility foreseen for 2012;
http://www.gsi.de/fair/
107
Publications
[1].
«Electron emission induced by fast heavy
ions in a thin silicon crystal » ; Barrué F.,
Chevallier M., Dauvergne D., Kirsch R.,
Poizat J.-C., Ray C., Adoui L., Cassimi A.,
Rothard H., Toulemonde M., Cohen C.,
L’Hoir A., Vernhet D., Demonchy C.,
Giot L., Mittig W., Pita S., RousselChomaz P., Billebaud A. ; Phys Rev A ;
PRA, 70 (2004) 032902
[2].
«Physical parameter dependence of the xray generation in intense laser cluster
interaction» ; Lamour E., Prigent C., Rozet
J-P., Vernhet D. ; Nucl. Instr. and Meth.
B, 235 (2005) 408-413
[3].
«Electron gas polarization effect induced
by very heavy-hydrogenic ions of
moderate velovities channeled in a silicon
crystal » ; Testa E., Dauvergne D.,
Braüning-Demain A., Bosch F., Braüning
H., Chevallier M., Cohen C., Gumberidze
A., L'Hoir A., Kirsch R., Kozhuharov C.,
Liesen D., Mokler P H.,. Poizat J-C, Ray
C., Rozet J-P., Stöhlker Th, Toleikis S.,
Toulemonde M. and Verma P.; Nucl. Instr.
and Meth. B, 245 (2006) 47-51
[4].
«Laser-cluster
interaction:
x-ray
production by short laser pulses» ;
Deiss C., Rohringer N., Burgdörfer J.,
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P. and
Vernhet D. ; Phys. Rev Letters , 96 (2006)
013203
[5].
«Ion slowing down and charge exchange
at small impact parameters selected by
channeling:
Superdensity
effects»;
L’Hoir A., Adoui L., Barrue F.,
Billebaud A., Bosch F., BraüningDemian A., Braüning H. , Cassimi A.,
Chevallier M., Cohen C., Dauvergne D.,
Demonchy C.E., Giot L., Kirsch R.,
Gumberidze A., Kozhuharov C., Liesen
D., Mittig W., Mokler P.H., Pita S.,
Poizat J.-C., Ray C., Roussel-Chomaz P.,
Rothard H., Rozet J.-P., Stöhlker Th.,
Tarisien M., Testa E., Toleikis S.,
Toulemonde M., Vernhet D. ; Nucl. Instr.
and Meth. B, 245 (2006) 1-14
[6].
«Production and transport of long lifetime
excited states in pre-equilibrium ion-solid
collisions»; Lamour E., Gervais B.,
Rozet J-P. and Vernhet D.; Phys. Rev. A.
73 (2006) 042715
[7].
«Impact parameter dependent charge
exchange studies with channeled heavy
ions»; Dauvergne D., Chevallier M.,
Poizat J.-C., Ray C., Testa E., BraüningDemian A., Bosch F., Hagmann S.,
Kozhuharov C., Liesen D., Mokler P.H.,
Stöhlker Th., Tarisien M., Verma P.,
Cohen C., L’Hoir A., Rozet J.-P.,
Vernhet D.,
Braüning
H.
,
Toulemonde M. ; Proceedings of the
XXIV International Conference on
Phtonic, Electronic and Atomic Collisions,
Editors : Fainstein P. D., Lima M.A.P.,
Miraglia J.E., Montenegro E., Rivarola
R.D. ; Publisher : World Scientific – ISBN
981-270-412-4 – (2006) 539-547
[8].
[9].
[10].
«X-ray production in short laser pulse
interaction with rare gas clusters»;
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P. and
Vernhet D.; Journal of Physics, in press
(2007)
[C1]
« Intensity Threshold Effects on the X-ray
Production in Intense laser-Cluster Interaction»;
Prigent C., Dreuil S., Lamour E., Rozet J-P., Vernhet D.,
Adoui, L., Gobert O., Meynadier P., Normand D.,
Perdrix M.; XXIII International Conference on Photonic
Electronic and Atomic Collisions; Stockholm, July 2003–
Sweden- ICPEAC 2003; Book of Abstracts – Fr038
[C2] «Influence of Pulse Duration and Wavelength on Xrays Produced by Intense Laser-Cluster Interaction»;
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P., Vernhet D., Adoui, L.,
Gobert O., Meynadier P., Normand D., Perdrix M.; 23th
International Conference on Photonic Electronic and
Atomic Collisions; Stockholm, July 2003– SwedenICPEAC 2003 ; Book of Abstracts – Tu035
[C3] «Determination of the sensitive parameters on the
X-ray generation induced by intense laser-cluster
interaction»; Lamour E., Adoui, L., Gobert O.,
Meynadier P., Normand D., Perdrix M., Prigent C.,
Rozet J-P., Vernhet D.; 8th EPS Conference on Atomic
and Molecular Physics; Rennes, July 2004- FranceECAMP2004; Europhysics Conference Abstracts, Vol
28F, Part II – 9-7
[C4] «Intense laser-cluster interaction : Clear evidence of
an intensity threshold on the X-ray production»;
Prigent C., Gobert O., Lamour, E., Meynadier P.,
Normand D., Perdrix M., Rozet J-P., Vernhet D.; 8th EPS
Conference on Atomic and Molecular Physics; Rennes,
July 2004- France- ECAMP2004; Europhysics
Conference Abstracts, Vol 28F, Part II – 9-12
[C 5] «Source X par agrégats : contrôle et optimisation
des paramètres gouvernant l'interaction laser de puissance
- agrégats de gaz rare»; Lamour E., Prigent C., Rozet JP., Vernhet D., Gobert O., Meynadier P., Normand D.,
Perdrix M.; 7ème Colloque sur les sources cohérentes et
incohérentes; Saint-Etienne, Juin 2004– France- UVX
2004; EDP Sciences, J. Phys. IV 127 (2005) 3-8
[C 6] «Physical Parameter Dependence of the X-ray
Generation in Intense Laser-Cluster Interaction»;
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P., Vernhet D.; 12th
International Conference on the Physics of Highly
Charged Ions; Vilnius, September 2004– Lithuania- HCI
2004; Europhysics Conference Abstracts, Vol 28E, 6
[C 7] «Intense laser-cluster interaction : Clear evidence of
an intensity threshold on the X-ray production»;
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P., Vernhet D., Gobert O.,
Meynadier P., Normand D., Perdrix M.; 12th International
Conference on the Physics of Highly Charged Ions;
Vilnius, September 2004– Lithuania- HCI 2004;
Europhysics Conference Abstracts, Vol 28E, 128
«Capture and transport of electronic states
of fast ions penetrating solids: An open
quantum system approach with sources
and sinks»; Seliger M., Reinhold C. O.,
Minami T ., Schultz D. R., Pindzola M. S.,
Yoshida S., Burgdörfer J., Lamour E.,
Rozet J.-P., and Vernhet D. ; Phys. Rev. A
75 (2007) 032714
[C 8] «Dynamics of Laser-cluster Interaction Probed by
X-ray Spectroscopy of HCI»; Lamour E., Prigent C.,
Rozet J-P., Vernhet D., Gobert O., Meynadier P.,
Normand D., Perdrix M.; 12th International Conference
on the Physics of Highly Charged Ions; Vilnius,
September 2004– Lithuania- HCI 2004; Europhysics
Conference Abstracts, Vol 28E, 129
«Quantum and classical transport of
excited states of ions»; Reinhold C. O.,
Seliger M., Minami T., Schultz D. R.,
Burgdörfer J., Lamour E., Rozet J-P., and
Vernhet D.; Nucl. Instr. and Meth. B, 261
(2007) 125-128
108
[C19] «First results on ion-cluster interaction with the
SIMPA ECR source»; Adrouche N., Healy E.,
Indelicato P., Lamour E., Mérot J., Pesic Z., Prigent C.,
Rozet J.-P., Vernhet D.; 13th International Conference on
the Physics of Highly Charged Ions; Belfast, September
2006– Northern Ireland, UK- HCI 2006; Book of
Abstracts, 3-16
[C 9] «Decoherence of electronic states in fast ions
penetrating solids»; Selinger M., Reinhold C.O.,
Tatsuya M., Shuhei Y., Burgdörfer J., Lamour E.,
Rozet J-P., Vernhet D.; 6th International Symposium on
Swift Heavy ions in Matter; Aschaffenburg, May 2005–
Germany- SHIM 2005; Book of Abstracts, B-77, 133
[C 10] «Characteristics of laser-cluster interaction
through x-ray emission»; Lamour E., Prigent C., Rozet JP., Vernhet D., Gobert O., Meynadier P., Normand D.,
Perdrix M.; 6th International Symposium on Swift Heavy
ions in Matter; Aschaffenburg, May 2005– GermanySHIM 2005; Book of Abstracts, B-79, 135
[C20] «X-ray generation by laser-cluster interaction»;
Deiss C., Lamour E., Prigent C., Rozet J.-P., Vernhet D.,
and Burgdörfer J.; 8ème International Conference on the
Interaction of Atoms, Molecules and Plasmas with
Intense Ultrashort Laser Pulses; Szeged, October 2006 –
Hungary-IAMPI 2006; Book of Abstracts To1
[C 11] «Properties of x-ray emission during laser-cluster
interaction»; Lamour E., Prigent C., Rozet J-P.,
Vernhet D., Gobert O., Meynadier P., Normand D.,
Perdrix M.; XXIV International Conference on Photonic,
Electronic and Atomic Collisions; Rosario, July 2005–
Argentina- ICPEAC 2005; Abstracts of contributed
papers, vol.1; 163
[C21] «X-ray production by laser-cluster interaction: the
influence of the pulse duration»; Deiss C., Lamour E.,
Prigent C., Rozet J.-P., Vernhet D., and Burgdörfer J.;
XXV International Conference on Photonic, Electronic
and Atomic Collisions; Freiburg, July 2006– GermanyICPEAC 2006; Abstracts of contributed papers, Mo032
[C 22] «Electron Capture and Transport of Ions
Penetrating Solids: an Open Quantum System Approach
with Sources and Sinks» ; Selinger M., Reinhold C.O.,
Tatsuya M., Schultz D.R., Shuhei Y., Burgdörfer J.,
Lamour E., Rozet J-P., Vernhet D.; XXV International
Conference on Photonic, Electronic and Atomic
Collisions; Freiburg, July 2006– Germany- ICPEAC
2006; Abstracts of contributed papers, We146
[C 12] «Laser-cluster interaction: the role of electron-ion
collision in the production of hot electrons»; Deiss C.,
Rohringer N., Lamour E., Vernhet D., Burgdörfer J.;
XXIV International Conference on Photonic, Electronic
and Atomic Collisions; Rosario, July 2005– ArgentinaICPEAC 2005; Abstracts of contributed papers, vol.2;
605
[C 13] «Production and Transport of Electronic States in
fast Ions Penetrating Solids»; Selinger M.,
Reinhold C.O., Tatsuya M., Schultz D.R., Shuhei Y.,
Burgdörfer J., Lamour E., Rozet J-P., Vernhet D.; XXIV
International Conference on Photonic, Electronic and
Atomic Collisions; Rosario, July 2005– ArgentinaICPEAC 2005; Abstracts of contributed papers, vol.2;
605
[C 23] «Afterglow mode applied to the SUPERSHyPIE
ECRIS» ; Maunoury L., Pierret C., Noury F., Huber B.A.,
Pacquet J.Y., Lehérissier P., Gaubert G., Vernhet D.,
Rozet J.P., Lamour E., Prigent C.; 12th International
Conference on Ion Sources; Jeju, August 2007 – KoreaICIS 2007; Book of Abstracts, PB54
[C14] «Laser-Cluster Interaction: X-Ray Production by
Short Laser Pulses»; Deiss C., Rohringer N., Burgdörfer
J., Lamour E., Prigent C., Rozet J.-P. and Vernhet D.; 7th
Edition of the Division of Atomic, Molecular and optical
Physics- DAMOP-APS Meeting; Knoxville, May 2006 –
Tennessee, USA- DAMOP 2006; APS Book of Abstracts
2.4
[CI.1] « Dynamical mixing effects in the transport of fast
hydrogenic ions through solids » ; Vernhet D.; AustrianHungarian Workshop on Charged-Particle Transport
through Nanostructures and Solids, Debrecen, November
14-16, 2003, Hungary – Book of Abstracts, 37-38
[CI.2] « X-ray Spectroscopy, a tool to investigate intense
laser - cluster interaction » ; Lamour E. ,Prigent C. ,
Rozet J.-P. ,Vernhet D. , Adoui L. , Gobert O.
,Meynadier P. , Normand D. , Perdrix M.; AustrianHungarian Workshop on Charged-Particle Transport
through Nanostructures and Solids, Debrecen, November
14-16, 2003, Hungary – Book of Abstracts, 26-27
[CI.3] « Physical parameter dependence of the x-ray
generation in intense laser cluster interaction » ;
Prigent C. , Lamour E. , Rozet J.P. , Vernhet D.; XIIth
Conference on the physics of Highly Charged Ions, HCI2004, Vilnius, Lithuanie, Septembre 2004
[CI.4] « Ion slowing-down and charge exchange at small
impact parameters selected by channeling » ; L’Hoir A.,
Adoui L., Barrue F., Billebaud A., Bosch F., BraüningDemian A., Braüning H. , Cassimi A., Chevallier M.,
Cohen C., Dauvergne D., Demonchy C.E., Giot L.,
Kirsch R., Gumberidze A., Kozhuharov C., Liesen D.,
Mittig W., Mokler P.H., Pita S., Poizat J.-C., Ray C.,
Roussel-Chomaz P., Rothard H., Rozet J.-P., Stöhlker
Th., Tarisien M., Testa E., Toleikis S., Toulemonde M.,
Vernhet D.; The Sixth International Symposium on Swift
Heavy Ions in Matter; SHIM 2005; May 28 - 31, 2005,
Aschaffenburg (Bavaria), Germany; Book of Abstracts, I1, 3
[C15] «X-ray generation by laser-cluster interaction»;
Deiss C., Rohringer N., Burgdörfer J., Lamour E.,
Prigent C., Rozet J.-P. and Vernhet D.; 8ème Colloque sur
les sources cohérentes et incohérentes; Caen, Juin 2006 –
France-UVX 2006, EDP Science; J. Phys. IV 138 (2006)
55-62
[C16] «L’émission X: une sonde de la dynamique de
l’interaction laser de puissance-agrégats»; Lamour E.,
Prigent C., Rozet J.-P. and Vernhet D., Deiss C.,
Rohringer N., Burgdörfer J.; 4ème Colloque de la Division
Physique Atomique, Moléculaire et Optique de la SFP;
Dijon, Juillet 2006 – France-PAMO 2006, oral
selectionné, Livre des résumés, D3- 91
[C17] «Mesures de la réflectivité intégrée de cristaux
MAP pour l’étude de l’emission X dans l’interaction
ions-agrégats»; Healy E., Prigent C., Adrouche N.,
Lamour E., Rozet J.-P. and Vernhet D.; 4ème Colloque de
la Division Physique Atomique, Moléculaire et Optique
de la SFP; Dijon, Juillet 2006 – France-PAMO 2006,
Livre des résumés, E5-103
[C18] «Laser-Cluster Interaction : Cluster Size Effect on
X-Ray production»; Lamour E., Prigent C., Rozet J.-P.
and Vernhet D., Deiss C., Rohringer N., Burgdörfer J.;
13th International Conference on the Physics of Highly
Charged Ions; Belfast, September 2006– Northern
Ireland, UK- HCI 2006; Book of Abstracts, 4-14
109
•
[CI.5] « X-ray emission: a tool and a probe for lasercluster interaction » ; Vernhet D.; XIX International
Seminar on Ion-Atom Collisions, Rio, July 22-29, 2005,
Brasil
[CI.6] « Dynamics of laser-cluster interaction probed by
X-ray spectroscopy » ; Vernhet D.; Workshop on Recent
advances on the dynamics of atomic and molecular
particles interacting with gas and solid targets, DonastiaSan Sebastian, October 14-16, 2005, Spain
[CI.7] « Properties of X-ray emission during lasercluster interaction » ; Lamour E., Prigent C., Rozet J.-P.,
Vernhet D.; 71th Annual meeting of the «Deutsche
Physikalische Gesellschaft», Frankfurt, March 2006,
Germany
[CI.8] « The role of collisional processes in the X-ray
emission during laser-cluster interaction » ; Vernhet D.;
16th International Workshop on inelastic ion-Surface
Collisions (IISC-16), Schloss Hernstein, September 1722, 2006, Austria; Book of Abstracts 43
[CI.9]
« Atomic physics projects at SPIRAL 2 » ;
Indelicato P. , Trassinelli M., Lamour E., Prigent C.,
Rozet J-P., Vernhet D.; 3rd International SPARC
Workshop on the "Novel Research Opportunities for
Atomic Physics with Heavy Ions: Facilities and
Instrumentation "; Paris, February 2007, France
[CI.10]
« X-ray production in short laser pulse
interaction with rare gas clusters » ; Lamour E., Prigent
C., Rozet J.-P., and Vernhet D.; 25th International
Conference on Photonic, Electronic and Atomic
Collisions, ICPEAC 2007, Freiburg, July 2007, Germany
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Thèses et HDR
« L'émission X : un outil et une sonde pour
•
l'interaction laser – agrégats », Prigent
Christophe, thèse UPMC, décembre 2004
•
« Diagnostic du plasma de la source d'ions
ECR SIMPA par spectroscopie X. Collisions
d'ions néon hydrogenoides avec des agrégats
d'argon », Adrouche Nacer, thèse UPMC,
septembre 2006
•
•
Burgdörfer Joachim, Deiss Cornelia, Selinger
•
Marek, Reinhold Carlos – Lamour Emily,
Prigent Christophe, Rozet Jean Pierre, Vernhet
Dominique (Collaborations avec TU Wien –
Autriche et OakRidge National Laboratory,
Tennessee, USA)
Stöhlker Thomas - Lamour Emily, Prigent
•
Christophe, Rozet Jean Pierre, Vernhet
Dominique (Collaboration SPARC-FAIR-GSI
Darmstadt - Allemagne)
Autres
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P., Vernhet D.,
membres du GDR SAXO (Nouvelles sources
de rayons X et leurs applications), 2000-2006
Rozet J-P., membre de la CSE 30 à l’Université
Pierre et Marie Curie
Rozet
J-P.,
membre
du
Conseil
d’administration à l’Université Pierre et Marie
Curie, 2002-2006
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P., Vernhet D.,
membres du GDR 2758 (Thermodynamique,
Fragmentation et Agrégation de systèmes
moléculaires complexes isolés), 2003-2007
Lamour E., membre de la section 04 du CNRS,
2003 et 2004-2008
Vernhet D., nominated member of the
FINUPHY Network (“Frontiers In Nuclear
PHYsics”), 2000-2004
Vernhet D., member of the Program Advisory
Committee for Atomic, Plasma Physics and
Application for the FAIR project (Facility for
Antiproton and Ion Research) at GSIDarmstadt Germany, 2004-2005
Rozet J-P., membre du Conseil Scientifique du
GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions
Lourds) – Caen, France – 2003-2004
Vernhet D., member of the scientific Council of
GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions
Lourds) – Caen, France – 2004-2008
Vernhet D., Présidente du Comité d’expérience
de Recherches Interdisciplinaires à GANIL –
Caen, France, (2004-2006) et membre (20062008)
Rozet J-P ., membre du comité d’expériences
de Tandem-Alto, Orsay, France (2004- présent)
Vernhet D., expert nominated by the Swedish
Research Council to examine applications for a
Senior Lecturer Position at the Stockholm
University- 2005
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P., Vernhet D. ;
membres du Réseau Européen ITSLEIF
(2006);
Lamour E., Prigent C., Rozet J-P., Vernhet D.Collaboration avec KVI-Groningen- the
Netherlands ; Hoekstra Ronnie, Schlathölter
Thomas - 2006- présent
Vernhet D., expert nominated by the Swedish
Research Council to examine applications for a
Senior Research Position at the Stockholm
University- 2006
Vernhet D., member of the Scientific Advisory
Committee of SPIRAL2 – GANIL (Grand
Accélérateur National d’Ions Lourds) – Caen,
France – 2006-2009
Vernhet D., member of the “Wissenschaftlicher
Rat” (Scientific Council) of GSI (Gesellschaft
für Schwerionenforschung mbH) – Darmstadt,
Germany – 2006-2009
Vernhet D., Chair of the evaluation committee
of the Atomic Physics Division at GSI for the
"Mid-Term Evaluation" of the Helmholtz
Association – Darmstadt, Germany – Oct. 2006
Vernhet D., Reviewer of the Materials
Research Division and the Plasma Physics
Department at GSI for the "Mid-Term
Evaluation" of the Helmholtz Association –
Darmstadt, Germany – April 2007
Prigent C., Rozet J-P., membres extérieurs de la
CSE 30 de l’Université de Caen, 2007-présent
Rozet J-P., membre extérieur de la CSE 30 du
CNAM de Paris, 2007- présent
Contrats publics
•
Crédits mi-lourds 2003 SPM « SIMPA »
Vernhet D., Rozet J.P.
•
PPF SAFIR/SIMPA (2005-2008) ; Vickridge
I., Rozet J.-P.
•
Crédits de réinstallation – 2005 SIMPA ;
équipement source ECRIS », Vernhet D.
•
ANR-Blanche 2006 : ANR-06-BLAN-0223,
SMSI2 SIMPA, Vernhet D.
110
•
Lamour E., Comité Scientifique de
Conférence Nationale UVX- 2006-2008
•
Vernhet D., Member of the Scientific Advisory
Committee for International Symposium on
Ion-Atom Collisions (ISIAC) 2007, 2005-2007,
August 2007, Crete
•
Vernhet D., ICPEAC International Secretary,
2007-2013
Vulgarisation
Lamour E., Prigent C., Vernhet D. ;
•
participation depuis 2004 aux éditions
annuelles de la fête de la Science sur Boucicaut
et sur Jussieu au travers d’exposé,
d’organisation d’ateliers et de visite de la
source d’ions multichargés de Paris (SIMPA)
Prigent C.; intervention au Lycée international
•
H. de Balzac sur « Le métier d’enseignantchercheur » dans le cadre de « Sciences sur
Seine 2007 » dédié aux « dialogues avec le
CNRS sur les Nanosciences ».
Prix
•
Prigent C.: Prix "Nathalie Demassieux" de la
chancellerie des Universités de Paris – 2005
•
Mérot J. : Cristal CNRS 2007
la
•
Vernhet D., Member of the Scientific Advisory
Board, 2001- present, for the HCI Conference
Series (Physics of Highly Charged Ions)
•
Vernhet D., Member of the Executive
Committee for International Conference on
Photonic, Electronic and Atomic Collisions
(ICPEAC) 2007, 2005-2007
•
Rozet J-P., Member of the International
Scientific Committee for the Swift Heavy Ion
in Matter Conference Series (SHIM), 2005present
•
Lamour E., Member of the local organizing
committee ECOSS 24, September 2006, Paris,
France
•
Lamour E., Prigent C., Vernhet D., Chair and
Organizers of the 3rd SPARC (Stored Particles
Atomic physics Research Collaboration)
Workshop, February 2007, Paris, France
111
112
Axe III – Optique et acoustique des couches minces et des nanostructures
Equipe III.1 - Acoustique, optique et thermique ultra-rapides dans les nano-systèmes (B. Perrin)
Permanents : Belliard Laurent, MC ; Bonello Bernard, CR1 ; Bras Nicole, CR1 (décédée en 2006), Debrus Solange, CR1
(cessation d’activité en 2005) ; Doussineau Pierre, PU CE ; Duquesne Jean-Yves, CR1 ; Ganot François, CR1 (en congé
longue maladie); Huynh Agnès, MC ; Palpant Bruno, MC ; Péronne Emmanuel, CR2 ; Perrin Bernard, DR2 ; Prot
Dominique, MC ; Thomas Jean-Louis, CR1
Non permanents : Ryasnyansky Aleksandr (visiteur 2004, 2006), Marchiano Régis (thèse 2003), Mouketou-Missino AlainStephen (thèse 2006), Laborde Stéphane (thèse 2006), Bienville Tatiana (Thèse 2006), Charles Christine (Thèse 2006),
Rashidi-Huyeh Majid (Thèse 2006 – Post doc 2007-2008), Baudoin Michaël, doctorant en cotutelle; Bettaïbi Islam, ATER
2006-2007 ; Brunet Thomas, ATER 2006-2007 ; Ganjehi Lili, doctorante en cotutelle ; Guillet Yannick, doctorant ;
Lanzillotti-Kimura Daniel, doctorant en cotutelle ; Zhang Shuo, doctorant
Duquesne qui a terminé la mise au point d’un dispositif
de mesure de la conductivité thermique dans les
nanostructures. Il vient d’obtenir les premiers résultats
sur des super-réseaux semi-conducteurs pour lesquels les
temps de vie de phonons THz vont être mesurés grâce à
de nouveaux outils dont dispose désormais l’acoustique
picoseconde. La comparaison des deux types d’approche
devrait être particulièrement intéressante. Ce dispositif a
par ailleurs permis à Jean-Yves Duquesne de réaliser des
mesures de conductivité thermique dans les nanocomposites, formés de particules métalliques, étudiés par
Bruno Palpant. Ce dernier a en effet pu montrer au cours
de ces dernières années le rôle très important joué par les
transferts thermiques dans les propriétés non-linéaires de
ces matériaux. Un investissement expérimental très
important a été réalisé autour de ce thème avec
l’acquisition d’une source laser femtoseconde amplifiée
qui a permis la mise au point d’un dispositif pompesonde pour des mesures de transmission optique résolues
temporellement et spectralement. Autour de ce thème sur
les nonlinéarités optiques, il est à noter que la cessation
d’activité de Solange Debrus, en 2005, a conduit à l’arrêt
du banc de mesure de seconde harmonique. Un peu en
marge de ces activités centrées sur les nanosciences,
Jean-Louis Thomas poursuit des recherches dans deux
directions : la sonoluminescence et l’acoustique
nonlinéaire. Un rapprochement s’est produit au sein de
l’équipe autour de la sonoluminescence puisqu’un
montage est en cours de construction afin d’utiliser les
ressources de nos sources laser femtoseconde pour
mesurer la dynamique d’effondrement des bulles lorsque
leur diamètre devient submicronique. Il est à noter une
application très originale des études d’acoustique
nonlinéaire menées par Jean-Louis Thomas sur la
propagation dans des milieux hétérogènes formés de
nanoparticules en suspension. Ce dernier participe
également à de nombreuses discussions sur les
conséquences de la nonlinéarité en acoustique
picoseconde.
Les champs électromagnétiques et acoustiques
sont affectés à bien des égards par le confinement. Les
effets d’interférences provoquent une discrétisation des
modes propres dans les nano-objets et la présence de
nombreuses interfaces à des distances proches de la
longueur d’onde conduit à l’ouverture de bandes de
fréquence interdites pour la propagation de ces champs
dans des milieux organisés de façon périodique. Ces
effets sont mis à profit dans la réalisation de cristaux
photoniques ou phononiques pour piéger des champs,
obtenir des cavités micro optiques ou nano acoustiques
ou faire apparaître de nouveaux phénomènes tels que la
réfraction négative. En second lieu le confinement
modifie les interactions non linéaires de ces champs et
donc la durée de vie des excitations associées (photons ou
phonons). Enfin le libre parcours de photons ou phonons
incohérents se trouve largement affecté avec de grandes
conséquences sur les propriétés de transport telles que la
conduction thermique. Ce sont là les sujets d’étude
principalement abordés dans notre groupe. Ces travaux
requièrent en général la maîtrise des temps très courts
associés aux dimensions nanométriques et c’est pourquoi
une part importante des expériences que l’on mène est
conduite avec des techniques pompe-sonde et des sources
laser ultrarapides.
L’acoustique picoseconde, activité impulsée il y a
plus de dix ans par Bernard Perrin, s’est largement
renforcée avec le recrutement d’Emmanuel Péronne
comme chargé de recherche au CNRS et la reconversion
thématique d’Agnès Huynh, maître de conférence à
l’UPMC. Un investissement expérimental important a été
effectué lors de ces quatre dernières années avec le
développement d’un banc de mesure supplémentaire
dédié à la microscopie. L’accordabilité de la nouvelle
source laser nous a d’ailleurs permis de démarrer dans les
meilleures conditions une collaboration très fructueuse
avec Bernard Jusserand (axe I – projet 1) autour de
l’étude de dispositifs semi-conducteurs pour l’ingénierie
de phonons. La capacité de réaliser des cartographies du
champ acoustique a été mise à profit pour une percée
expérimentale très prometteuse réalisée en collaboration
avec Frédéric Decremps de l’IMPMC: les premières
mesures de vitesse du son en enclume diamant dans des
matériaux opaques. Le même dispositif a également
permis l’étude de structures ordonnées de dimensions
latérales submicroniques. Cette activité permet un
rapprochement avec celle initiée voilà 4 ans par Bernard
Bonello autour des cristaux phononiques. Ce dernier se
consacre désormais totalement à ce thème et à mis un
terme au travail sur le vieillissement des verres
orientationnels. Le problème des conséquences de la
nanostructuration sur les propriétés de transport de
phonons est au cœur des préoccupations de Jean-Yves
1) Acoustique picoseconde et nanophononique
Belliard Laurent, Bienville Tatiana (doctorante), Huynh
Agnès, Laborde Stéphane (doctorant), Lanzillotti-Kimura
Daniel (doctorant), Perrin Bernard, Péronne Emmanuel,
Zhang Shuo (doctorant),
Références : [1], [2], [7], [15], [21], [24], [25], [26],
[28], [32], [34], [35], [42], [45], [46], [47], [48], [54],
[55], [L1], [C2], [C3], [C4], [C5], [C6], [C7], [C8]
L’acoustique picoseconde est un domaine qui a
émergé il y a une vingtaine d’années grâce au
développement
de
sources
d’impulsions
laser
femtoseconde. Les potentialités de cette méthode sont
très vite apparues :
113
-
d’une part, pour explorer de nouveaux
domaines de fréquences (jusqu’à 200 à 300
GHz), pour l’acoustique et les propriétés
vibrationnelles des solides, trop élevées pour
être
accessibles
aux
transducteurs
piézoélectriques traditionnels ou trop basses
pour que les spectroscopies par diffusion
inélastique de photons visibles, de rayons X ou
de neutrons aient une résolution suffisante,
d’autre part, pour étudier les propriétés
élastiques de films minces et multicouches
submicroniques.
Depuis lors l’acoustique picoseconde s’est avérée un
outil de choix pour l’étude des propriétés élastiques et
vibrationnelles de nanostructures qu’elles soient 2D
(films minces, multicouches, hétérostructures), 1D (fils
quantiques, nanotubes) ou 0D (nanoparticule unique,
nanoparticules en suspension ou dispersées en matrice
solide, boites quantiques). En retour nous découvrons
aujourd’hui que ces nanostructures permettent une
véritable ingénierie de phonons et se révèlent d’excellents
générateurs et détecteurs de phonons acoustiques
cohérents dans le domaine du THz resté encore
inaccessible à ce jour. C’est dans cette double
perspective, utiliser des longueurs d’onde nanométriques
pour étudier les nanostructures et des nanostructures pour
la transduction d’ondes acoustiques THz, que se situe
l’essentiel du travail de notre groupe. Cette activité sur
l’acoustique ultrarapide que nous avons été les premiers à
introduire en Europe il y a plus d’une dizaine d’années a
été grandement enrichie par notre implantation dans un
nouvel environnement consacré aux nanosciences.
n’est alors plus négligeable. L’équation de propagation
qui rend compte de ces deux phénomènes présente des
solutions stables, les solitons, dont l’existence a été
démontrée expérimentalement dans des cristaux d’oxyde
de magnésium, de saphir et de silicium. La source des
non linéarités acoustiques est intrinsèque à tout cristal et
provient de l’anharmonicité du potentiel interatomique.
Nous avons été les premiers à observer des solitons
acoustiques dans l’arséniure de gallium (GaAs) un
substrat de choix pour les nanosciences.
Pour ce faire, nous avons étudié la propagation
d’impulsions acoustiques dans des substrats de GaAs de
360 µm d’épaisseur placés dans un cryostat et refroidis à
20K pour minimiser l’absorption des très courtes
longueurs d’ondes acoustiques. L’originalité de notre
approche expérimentale repose sur deux points :
premièrement, nous pouvons détecter les impulsions
acoustiques après propagation dans le substrat sur les
deux faces du substrat. Deuxièmement, l’emploi d’une
technique de détection interférométrique nous permet de
mesurer directement le déplacement de surface créé par
l’impulsion acoustique. De plus, la mise en œuvre d’un
interféromètre de Sagnac (interféromètre à bras
identiques) nous permet de mesurer des déplacements
aussi faibles que quelques femtomètres.
A l’aide d’objectifs de microscope, nous avons
focalisé l’impulsion laser pompe sur la couche métallique
pour obtenir des ondes acoustiques intenses
correspondant à des déformations supérieures à 10-3. La
propagation non-linéaire de ces ondes acoustiques permet
d’engendrer des longueurs d’ondes acoustiques
inférieures à 8 nm dans GaAs. Grâce à la combinaison
des effets non-linéaire et dispersif nous avons pu mettre
en évidence des trains formés de 6 solitons acoustiques
dont le plus intense a une durée de 1.7 ps. Pour les
mêmes conditions initiales mais dans d’autres cristaux
aux paramètres nonlinéaires plus avantageux tels MgO,
on peut prédire des solitons acoustiques de quelques
centaines de femtosecondes seulement ainsi que la
production de fréquences au-delà du THz correspondant à
des longueurs d’ondes acoustiques inférieures au
nanomètre. Une expérience menée par Dijkhuis à
l’université d’Utrecht a démontré de façon indirecte
l’existence après propagation dans le rubis d’une
composante du spectre à 0,83 THz. Nous avons pu
mesurer clairement la dispersion acoustique dans GaAs
jusqu’à 600 GHz alors que GaAs est connu pour absorber
plus fortement les hautes fréquences que d’autres semiconducteurs comme le silicium ou des oxydes tels que
MgO et Al2O3. L’ensemble de ces résultats démontre le
potentiel de l’acoustique non-linéaire ultra-rapide pour
l’étude des nanosystèmes. Il devient possible de venir
exciter des objets de quelques nanomètres seulement
enfouis dans plusieurs centaines de microns d’un substrat
opaque. De telles ondes ont déjà fait l’objet d’une
première utilisation pour caractériser des nanocavités
acoustiques unidimensionnelles comme il est décrit dans
le sous thème suivant.
Nous explorons aujourd’hui 4 voies pour émettre
et/ou détecter des phonons acoustiques THz :
•
l’obtention de phonons cohérents longitudinaux
par
conversion
d’harmoniques
après
propagation dans des substrats épais (quelques
centaines de μm) à basse température,
•
la
génération
de
phonons
cohérents
monochromatiques par des super-réseaux,
modes localisés de surface et nano-cavités
acoustiques,
•
la génération et détection de phonons
acoustiques incohérents hors d’équilibre mis en
jeu lors des mesures pompe-sonde
•
la possibilité de réaliser un saser en utilisant le
concept des cavités acoustiques à base de
miroirs de Bragg.
Acoustique Nonlinéaire et Solitons acoustiques
L’acoustique ultra-rapide utilise généralement des
impulsions optiques femtoseconde pour exciter en un
temps très court une couche absorbante. En réponse la
couche va rentrer en vibration en quelques picosecondes
selon différents processus de couplage : thermo-élastique,
photo-élastique, potentiel de déformation… L’excitation
d’une couche métallique produit typiquement des ondes
acoustiques qui durent quelques picosecondes, sont
associées à des déformations de l’ordre 10-5 à 10-4 et ont
un contenu fréquentiel qui s’étend de quelques GHz à
300 GHz environ. La vitesse du son dans les cristaux
étant de l’ordre de quelques nm/ps les longueurs d’onde
acoustique produites sont de l’ordre d’une à quelques
dizaines de nm. Le groupe d’Humphrey Maris à
Providence (USA) a montré en 2001 que lorsque de telles
ondes se propagent dans un cristal de plusieurs centaines
de microns d’épaisseur le contenu fréquentiel est enrichi
par des effets non linéaires acoustiques et la dispersion
En dépit des très courtes longueurs d’onde associées
aux impulsions acoustiques picosecondes, jusqu’à 20 nm
pour une propagation en régime linéaire et jusqu’à 1 à 2
nm en régime non-linéaire, aucune recherche n’avait été
menée à ce jour pour réaliser des expériences de
microscopie ou d’imagerie acoustiques susceptibles de
combiner cette remarquable résolution spatiale à une
dimension en une résolution spatiale à trois dimensions.
En effet des travaux récents (2004) dans l’équipe de Ted
Norris à Ann Harbor (USA) sur la diffraction
d’impulsions acoustiques ultra-rapides offrent de réelles
114
perspectives. Nous avons donc couplé notre dispositif
expérimental à un dispositif d’imagerie en fixant
l’objectif de microscope qui focalise la sonde sur une
platine piézoélectrique à deux axes. Nous avons pu ainsi
focaliser, dans un cryostat, à la fois le faisceau pompe à
moins de 10 µm et le faisceau sonde à moins de 3µm ce
qui nous a permis de mesurer la propagation non-linéaire
des ondes acoustiques dans un substrat de GaAs lorsque
la diffraction est non négligeable. Les très hautes
fréquences ne sont produites qu’à moins de 3 µm du
centre de l’impulsion pompe, ce qui permet d’augmenter
la résolution spatiale en filtrant les hautes fréquences
entre 400 et 600 GHz. De plus les basses fréquences
inférieures à 25 GHz diffractent beaucoup ce qui permet
théoriquement d’imager en 3D des structures enterrées
aussi petites que 200 nm environ. Jusqu’à aujourd’hui
seules des structures microniques déposées en surface ont
pu être imagées à travers un milieu opaque. La diffraction
d’ondes acoustiques dans un cristal donne naissance à un
second effet appelé « phonon focusing », effet dû à
l’anisotropie des propriétés élastiques intrinsèques à tout
cristal. Ce phénomène, qui a fait l’objet d’abondantes
études à la fin des années 80 et au début des années 90
sur des objets millimétriques voir centimétriques, a pour
conséquence de faire converger des phonons de vecteurs
d’onde différents vers un même point au même instant.
Autrement dit la surface d’onde des phonons acoustiques
présente des repliements dans l’espace. Ainsi nous avons
pu faire pour la première fois la tomographie du front
d’onde des phonons longitudinaux et transverses lents à
basse température ou à température ambiante avec le
même dispositif sur un échantillon de taille
submillimétrique grâce à l’acoustique ultra-rapide (figure
1). La très bonne résolution temporelle inhérente à notre
dispositif devrait nous permettre de faire les mêmes
expériences sur des échantillons aussi fins que la dizaine
de µm. Ces ondes transverses de plusieurs centaines de
MHz sont un outil supplémentaire pour sonder les
propriétés acoustiques de structures enterrées. L’énorme
avantage de cette technique de production d’ondes
transverses de hautes fréquences, par rapport à d’autres
voies explorées, est qu’elle ne nécessite pas une
configuration ou une symétrie cristalline particulière.
meilleure stabilisation de l’échantillon, l’utilisation de
longueurs d’onde optiques plus courtes (350-400 nm) et
l’emploi de cristaux tels que le saphir et MgO.
L’utilisation des ondes acoustiques non linéaires ultrarapides et intenses à fait l’objet d’une collaboration
initiée en février 2007 avec Andreï Akimov de l’institut
Ioffe à Saint Petersbourg et va se poursuivre à travers
l’étude de l’interaction de puits et boîtes quantiques avec
ces ondes. L’intensité et la brièveté de ces ondes
permettent un certain contrôle sur les propriétés optoélectroniques de tels objets. Pour valider le processus
d’imagerie à 3D nous allons étudier des nanocavités
sphériques obtenues par micro explosion dans du saphir
en collaboration avec Saulius Juodkazis d’Osaka. Ce
sont des sortes de bulles d’air de taille ajustable entre
200 et 400 nm et dont la distribution peut être aussi
contrôlée. L’imagerie de front d’onde sera également
appliquée à des systèmes complexes présentant des
propriétés acoustiques particulières comme les superréseaux GaAs/AlAs.
Miroirs de Bragg et nanocavités acoustiques
Peu après les premières expériences d’acoustique
picoseconde réalisées sur des films minces métalliques
(10-100nm) qui avaient permis de montrer la possibilité
de générer et détecter des ondes acoustiques dans une
gamme de fréquence atteignant 200 à 300 GHz, les
mêmes études pompe-sonde ont été menées sur des
multicouches périodiques métalliques ou hybrides et des
super-réseaux semiconducteurs ; des vibrations de très
haute fréquence ont été observées dans de nombreux
systèmes (jusqu’à 2.5 THz dans Co/Cu ou Au/Ni). La
périodicité à l’échelle nanométrique induit l’ouverture de
gaps dans la gamme du THz dans le spectre des phonons
acoustiques. Pour ces bandes de fréquence l’empilement
constitue un miroir acoustique parfait et des modes de
vibration peuvent être localisés à la surface de ces miroirs
par les réflexions totales air/miroir et miroir/substrat.
Nous avons dès lors envisagé la possibilité d’utiliser de
telles structures pour en faire des transducteurs
acoustiques (1995) et développé des calculs par matrice
de transfert pour les champs électromagnétiques et
acoustiques pour prévoir l’efficacité de ces générateurs.
Nous avons privilégié dans un premier temps les
systèmes métalliques car ils peuvent présenter de très
forts contrastes acoustiques, favorables pour l’obtention
de miroirs large bande, et ils ne nécessitent pas une
source laser accordable. L’élaboration de ces systèmes a
été et est menée dans le Laboratoire de Métallurgie
Physique de Poitiers (LMP-UMR 6630).
Ces multicouches présentent toutefois des
interfaces imparfaites que nous avons systématiquement
étudiées par acoustique picoseconde. En combinant la
détermination du module élastique de compression,
obtenue par mesure du temps de vol acoustique grâce à
des mesures de SONAR nanométrique et celle des modes
localisés de surface nous avons pu mettre en évidence,
pour de nombreux systèmes, l’existence de zones
interfaciales, préciser leur épaisseur et leur module
d’élasticité. C’est notamment le cas du système MoNi qui
a fait l’objet de la thèse de Stéphane Laborde. Dans cet
exemple nous avons pu démontrer que la zone
interfaciale est amorphe en étudiant simultanément des
films de solution solide MoNi. La présence de cette zone
interfaciale ne nous a d’ailleurs pas permis d’obtenir des
générateurs acoustiques THz efficaces à l’aide de ces
multicouches.
Nous poursuivons désormais avec le LMP
l’étude de systèmes hybrides Mo/Si, très étudiés en raison
Fig. 1 Phonon focusing dans GaAs à température ambiante.
Coupe expérimentale et théorique (traits pleins) de la surface
d'onde des phonons acoustiques.
Perspectives : Maintenant que nous nous sommes dotés
d’une source acoustique adaptée aux nanosciences, nous
souhaitons continuer à développer cette source et surtout
à démontrer son potentiel sur un certain nombre de
systèmes. La poursuite du développement se fera en
collaboration avec une équipe de mécaniciens de
l’Institut Jean Le Rond D’Alembert sur la propagation
non linéaire 3D dans les cristaux qui reste un problème
théorique et numérique conséquent. Nous continuerons
aussi à améliorer le dispositif pour tendre vers les
longueurs d’onde acoustiques plus courtes par une
115
cavités. En jouant sur la longueur d’onde du laser il a été
de plus démontré que ces modes pouvaient être excités
sélectivement.
Les miroirs de Bragg optiquement semi transparents
sont également d’excellents détecteurs de phonons. Ils
permettent un échantillonnage d’un spectre de phonons
cohérents pour toutes les fréquences satisfaisant la règle
de conservation des vecteurs d’onde optique et
acoustique mis en jeu. En utilisant un simple film
métallique comme émetteur et en profitant de
l’enrichissement du spectre du lors de la propagation au
travers du substrat de GaAs, nous avons pu détecter des
phonons jusqu’à 850 GHz dans des conditions
expérimentales pour lesquelles un film métallique utilisé
en guise de détecteur présente une coupure vers 350 GHz.
de leur utilisation en optique réflective pour les UV
lointains/X mous nécessaire pour les techniques de
lithographie pour les nouvelles générations de
microprocesseurs (90 et 65 nm). Les avantages de ce
système sont un contraste acoustique très élevé, une forte
efficacité de génération et des interfaces abruptes entre le
silicium amorphe et le Mo structuré, les inconvénients
sont sans doute la phase amorphe du silicium qui diffuse
fortement les phonons de très haute fréquence. Les
premières études d’acoustique picoseconde «en face
avant » (les faisceaux pompe et sonde sont incidents sur
le même point du multicouche) ont permis d’observer des
oscillations, correspondant à des modes localisés de
surface, jusqu’à 800 GHz. Les modèles développés dans
notre groupe depuis de nombreuses années permettent
d’interpréter parfaitement ces résultats. Les premières
mesures pour montrer les capacités émettrices de ces
composants (excitation sur le multicouche et détection
sur la face arrière du substrat) vont être réalisées très
prochainement. La trop grande largeur observée pour ces
modes localisés laisse toutefois supposer des diffusions
très fortes dans le multicouche.
Perspectives : les expériences réalisées ces trois
dernières années ouvrent un large champ d’étude. La
possibilité d’émettre dans des substrats et de détecter des
phonons cohérents à l’aide d’hétérostructures semiconductrices est désormais avérée. Afin de s’affranchir
des limitations imposées par les films métalliques
présents dans nos configurations précédentes, des
expériences utilisant des miroirs de Bragg sur les deux
faces du substrat sont déjà planifiées et permettront de
travailler dans le domaine du THz. Par ailleurs la très
grande qualité des épitaxies réalisées au LPN permet de
concevoir, par algorithme génétique, de nouveaux
échantillons présentant des spectres de transmission
extrêmement variés (des filtres colorés et des miroirs
large bande sont déjà en cours d’étude) : l’ingénierie de
phonons est désormais accessible. Nous nous
intéresserons également à de nouveaux dispositifs plus
complexes (cavités couplées).
Il est possible d’utiliser ces dispositifs pour
entreprendre des études plus fondamentales sur les
phonons et excitations vibrationnelles dans un domaine
fréquentiel peu accessible jusqu’alors. Nous allons ainsi
entreprendre des mesures directes et précises du temps
de vie des phonons acoustiques THz soit dans des
substrats pour obtenir des valeurs intrinsèques, soit dans
des cavités pour étudier les effets du confinement sur les
processus anharmoniques.
Les miroirs de Bragg seront également utilisés
comme détecteurs ultrasensibles pour faire de l’imagerie
avec des phonons de longueur d’onde nanométrique.
Les miroirs de Bragg permettent de contrôler
de façon très précise le couplage d’une cavité acoustique
à son substrat. L’amplification de phonons a déjà été
réalisée dans différents systèmes mais sans possibilité de
réaliser un authentique SASER susceptible d’émettre
dans un substrat. Nous rechercherons donc un
mécanisme d’amplification adapté aux nanocavités afin
d’obtenir un SASER véritablement opérationnel.
Nous avions débuté l’étude des super-réseaux
semi-conducteurs en 1998 par des composés II-VI
CdTe/CdMnTe mais un nouvel élan dans ce domaine a
été donné par le démarrage d’une collaboration forte avec
Bernard Jusserand en 2004 sur des systèmes III-V
GaAs/AlAs dont la croissance est assurée par Aristide
Lemaitre au LPN (UPR20). Plusieurs types de mesures
sont conduites sur ces systèmes :
• Des expériences en réflexion sur la surface libre
des échantillons ; il s’agit alors de
spectroscopie
vibrationnelle résolue en temps.
• Des expériences en transmission acoustique
pour lesquels l’échantillon et la face arrière du substrat
sont recouverts d’un film d’aluminium agissant comme
transducteur ; ces expériences permettent d’étudier de
façon passive les échantillons.
• Des
expériences en transmission
où
l’échantillon est utilisé soit comme émetteur soit comme
détecteur de phonons acoustiques.
Plusieurs avancées importantes ont été obtenues à
l’aide de ces études sur des super-réseaux agissant
comme des miroirs de Bragg ou des nanocavités
acoustiques. Ces derniers objets, proposés en 2002 par
Alejandro Fainstein du CNEA à Bariloche (Argentine) et
Bernard Jusserand, permettent, à l’instar des microcavités
optiques, de confiner des modes entre deux miroirs de
Bragg. Ces modes sont exactement de même nature que
les modes localisés de surface pour lesquels l’un des
miroirs de Bragg est supprimé au profit d’une interface
directe avec l’air qui présente une réflectivité totale et
large bande (à l’encontre de ce qui advient en optique).
Des études passives ont permis de mesurer de façon
très directe la transmission acoustique de miroirs de
Bragg et de mettre en évidence l’existence de modes de
cavités. Les miroirs avaient dans ces expériences des
périodes d’environ 50 nm pour que le domaine spectral
puisse être facilement couvert par des transducteurs
métalliques classiques.
Les mêmes objets ont ensuite été étudiés comme
transducteurs (émetteurs ou détecteurs) de phonons.
L’originalité de ces expériences, réalisées en
transmission, réside dans le découplage total des
processus de détection et de génération. En utilisant un
film métallique déposé sur la face arrière du substrat nous
avons pu détecter des spectres discrets de phonons
cohérents émis soient par des miroirs de Bragg (il s’agit
alors de modes très proches du bord de gap) soit par des
La rectification de phonons et les impulsions
de chaleur
Lorsqu’une impulsion laser femtoseconde est
absorbée par un film métallique pour émettre une
impulsion acoustique picoseconde, il y a tout d’abord une
élévation rapide de quelques K de la température du film.
A basse température et pour des substrats très purs cet
échauffement brutal provoque une émission de chaleur
dans le substrat sous la forme d’une impulsion de
phonons acoustiques incohérents qui peut se propager de
façon balistique. L’utilisation d’impulsions de chaleur a
longtemps été la seule méthode pour étudier la
dynamique des phonons acoustiques dans le domaine
subterahertz à terahertz. Elle a donné lieu à de nombreux
travaux il y a une vingtaine d’années pour lesquels la
116
en combinant à l’acoustique picoseconde des techniques
de microscopie optique en champ lointain, permettant
ainsi de produire des ondes acoustiques de fréquences
adéquates et de détecter la réponse acoustique avec des
résolutions temporelle et spatiale adaptées.
Nous avons abordé l’étude de telles
nanostructures, sur des systèmes obtenus par lithographie
électronique dans le cadre d’une collaboration avec
l’IEMN. En couplant des approches optiques multiéchelles et la modification de paramètres intrinsèques et
extrinsèques, nous avons été en mesure de mettre en
évidence des réponses de nature individuelles ou
collectives. Des mesures individuelles résolues en temps,
réalisées sur des plots carrés d’aluminium et de platine de
taille latérale variable allant jusqu'à 400nm et d’épaisseur
100nm, ont été menées. La réduction de la taille latérale
mais également l’utilisation de métaux avec des
constantes élastiques plus élevées concourent à
l’augmentation des fréquences des modes de vibration
individuelle. Le calcul du spectre de vibration à l’aide
d’outils d’éléments finis nous a permis de mettre en
évidence l’effet de l’environnement sur ce paysage
vibrationnel dans le cas des structures d’aluminium
déposées sur une sous couche d’aluminium comme cela
était prédictible. Dans de telles structures, la réduction de
la distance entre voisins, alliée à une géométrie
d’excitation plus globale a permis de faire émerger des
réponses vibrationnelles d’un autre genre. En effet, grâce
à un couplage élastique très efficace (plot de même
nature que la sous-couche) et une excitation collective
des résonateurs il s’ensuit une réponse constituée certes
de modes de vibration de nature individuelle, mais
également d’une réponse collective dont les fréquences
sont très fortement dépendantes de l’environnement
élastique comme par exemple de la périodicité. De plus,
nous avons montré que dans le cas ou l’impédance
élastique du plot et celle de la sous-couche était très
différente (plot Pt /sous couche Al) un tel couplage
élastique pouvait être réduit voir même inhibé. Par
conséquent, seule la signature individuelle reste, et par là
même, peut se trouver exaltée dans la mesure où
l’excitation se produit simultanément sur plusieurs sites.
détection était faite à l’aide de bolomètres
supraconducteurs. Compte tenu du faible temps de
réponse de ces bolomètres il n’était alors possible que
d’étudier la propagation dans des cristaux massifs
d’épaisseur centimétrique. Dès nos premières études
portant sur la propagation d’impulsions acoustiques
cohérentes à basse température (2000) nous avons
envisagé et recherché une signature éventuelle
d’impulsions de chaleur se propageant balistiquement
lors de nos expériences résolues en temps. Ce n’est qu’en
2004,
grâce
à
l’utilisation
d’une
détection
interférométrique, que nous avons identifié des
impulsions larges de plusieurs centaines de picosecondes
qui suivent immédiatement l’arrivée des impulsions
acoustiques cohérentes. De nombreuses expériences ont
été nécessaires pour démontrer qu’il s’agissait bien
d’impulsions de chaleur, préciser les conditions
expérimentales pour une observation optimale et aborder
la compréhension du mécanisme de détection. Seuls les
phonons longitudinaux composant l’impulsion de chaleur
sont détectés : au cours de leur propagation dans le
substrat, ces phonons sont rectifiés et donnent naissance à
une déformation de basse fréquence qui se propage à la
même vitesse que l’impulsion de chaleur. Pour certaines
conditions expérimentales cela donne lieu à un
phénomène cumulatif, semblable à celui qui intervient
dans la création d’harmoniques, qui induit un
déplacement détectable de la face arrière du substrat.
Perspectives : de nouvelles expériences doivent être
menées pour convaincre la communauté de l’acoustique
picoseconde de
cette possibilité insoupçonnée de
détecter des impulsions de chaleur dans ce schéma
d’expérience pompe-sonde. Un des avantages évidents
d’une telle détection est un gain de 3 ordres de grandeur
dans la résolution temporelle. La sensibilité est par
contre inférieure à celle des bolomètres. Il est encore
prématuré pour savoir si cette découverte restera une
curiosité ou permettra une renaissance de l’utilisation
des impulsions de chaleur pour l’étude des phonons
acoustiques de très haute fréquence
Vibration de nanostructures et acoustique
picoseconde à haute résolution latérale
Bien que l’acoustique picoseconde s’avère un
outil particulièrement puissant dans l’étude des films
minces et multicouches à l’échelle du nanomètre, il serait
réducteur d’imaginer que cela soit l’unique domaine dans
lequel ces approches résolues en temps excellent. En
effet, la thématique des nanosciences ne se limite pas à
des couches uniques ou à des empilements : la
structuration latérale dans le plan des couches est
devenue une composante essentielle pour l’observation
de nouveaux effets physiques et la réalisation de
nouveaux composants les exploitant.
L’étude de structures de dimensions réduites dans
les trois directions de l’espace reste encore pour l’avenir
un réel challenge. Néanmoins, dans le cas de
l’acoustique, ces dernières années ont connu une réelle
émergence de thématiques dans ce domaine. La
structuration dans les trois directions de l’espace
augmente la complexité et la richesse des propriétés
acoustiques. Ainsi le spectre vibrationnel d’une
nanostructure tend à se discrétiser d’autant plus que la
taille se réduit et à dépendre non seulement de paramètres
intrinsèques tels que la forme, la composition chimique et
cristallographique, mais aussi de paramètres extrinsèques
tels que le couplage avec l’environnement; et ce d’autant
plus que la surface de la structure est grande devant son
volume. Il est possible d’étudier de telles nanostructures
Fig. 2 : Cartographie du déplacement de surface induit par une
onde de type Rayleigh, interagissant avec une structure
lithographiée. Après le passage de l’onde de surface la structure
joue le rôle de source acoustique.
L’amélioration des potentialités de l’acoustique
picoseconde nécessaire aux études ci-dessus, reposant
essentiellement sur la réduction des zones d’excitation et
de mesure, ouvre la possibilité d’exciter des ondes
acoustiques de surface présentant un spectre de fréquence
s’étendant jusqu’à quelques GHz et ayant donc des
longueurs d’ondes microniques voir sub-microniques.
Nous avons montré (figure 2) qu’en contrôlant le contenu
117
fréquentiel d’ondes de Rayleigh, il était possible
d’obtenir une diffusion résonante de ces ondes par des
entités isolées en surface obtenues à l’aide des techniques
de photolithographie que nous avons mises en œuvre au
sein de la salle blanche de l’INSP. Ce phénomène fait
intervenir des paramètres intrinsèques à la structure tels
que le spectre de vibration mais également des aspects
liés à l’environnement élastique de la structure. L’étape
suivante devrait, à terme, permettre de remonter, par des
algorithmes de retournement temporel, à de telles
grandeurs. L’intérêt de telles approches réside dans le fait
quelles sont particulièrement pertinentes dans le cas de
structures enterrées à des profondeurs de l’ordre de la
longueur d’onde des ondes de surfaces qui restent donc
inaccessibles à des microscopies de surface ou des
mesures optiques. L’interaction d’une onde de surface
avec une entité isolée peut être vue comme la brique
élémentaire de l’étude de la propagation d’une onde de
surface dans un cristal phononique qui est la
préoccupation centrale décrite dans le thème 2 de notre
groupe.
L’ensemble des efforts expérimentaux très
conséquents menés ces dernières années, a également
permis très récemment d’aborder des mesures
d’acoustique picoseconde en enclume diamant sous des
pressions hydrostatiques pouvant atteindre 30 GPa. Ce
travail s’effectue en étroite collaboration avec l’IMPMC
(UMR 7590 UPMC/CNRS). Outre la percée
expérimentale, avoir surmonté les contingences
spécifiques des enclumes diamant, cette voie ouvre toute
une gamme d’études fondamentales. Nos premiers
travaux ont porté sur la mesure de la vitesse et de
l’atténuation d’une onde hypersonique au sein d’un
quasi-cristal d’AlPdMn, dont l’équation d’état avait
préalablement été déterminée par diffraction des rayons
X. De tels systèmes élastiquement isotropes présentent
des propriétés tant structurales que vibrationnelles
inhabituelles (interaction phonon-phonon ou phononphason). Grâce à des mesures de la constante élastique,
sur une large gamme de pression, nous avons pu mettre
en évidence à basse pression un comportement linéaire
compatible avec la linéarisation de Murnaghan, mais
également a haute pression une déviation à ce
comportement linéaire. L’augmentation de l’atténuation
avec la pression est actuellement en cours d’étude, mais
ne semble pas provenir directement du champ de phasons
qui est gelé à température ambiante.
nanomètres, devrait permettre de réaliser des excitations
sélectives à ces échelles. L’utilisation de micro lentilles
acoustiques est l’une des voies envisagées pour obtenir
cette focalisation.
Ces dernières années, la propagation des phonons au
sein de systèmes lamellaires s’est avérée très riche du
point de vue fondamental (étude du confinement, mode
localisé, ouverture de gap dans les courbes de
dispersion…). Des travaux récents sur le transport
thermique au sein de systèmes latéralement confinés, ont
démontré des comportements liés à ce nouveau
confinement latéral. Ce genre de résultats est
transposable au domaine de l’acoustique ; ainsi nous
envisageons d’entreprendre des études sur des systèmes
confinés tels que des nanotubes ou des wiskers mais
également au sein de nanofils pouvant également
présenter une structuration périodique.
L’adhésion entre deux couches est d’une extrême
importance dans le domaine des nanosciences où la
multitude des interfaces est incontournable. Des mesures
d’adhésion avaient été tentées sur des structures de
flambage dans des systèmes or/silicium mettant en
évidence une rapide évolution de ce paramètre sur des
échelles submicroniques difficilement accessibles. En
couplant une étude de l’atténuation des ondes
acoustiques lors de la réflexion sur l’interface et une
étude fine de la réponse temporelle des échos acoustiques
à des mesures à pression variable, nous pensons pouvoir
modifier le potentiel d’interaction entre les deux couches
et ainsi étudier l’évolution de l’adhésion.
La possibilité nouvelle de réaliser des mesures à pression
et température variables ouvre pour l’acoustique
picoseconde un large domaine que nous comptons bien
explorer. Au travers de la vitesse de propagation d’une
onde ultrasonore, nous avons là un outil particulièrement
sensible aux interactions inter-atomiques. Des mesures
de diagramme de phase sont donc envisageables à court
terme, dans de nombreux systèmes. Citons pour exemple
l’étude de l’ordre local dans les liquides métalliques.
2) Cristaux phononiques
Bonello Bernard, Ganot François, Charles Christine
(doctorante), Brunet Thomas (ATER)
Références : [38], [39], [52]
L'intérêt que notre groupe porte aux cristaux
phononiques depuis le début du plan quadriennal écoulé,
est la suite naturelle du travail que nous avions mené dans
la période précédente sur l'élasticité des multicouches
métallliques et des peignes interdigités. Les systèmes que
nous étudions actuellement sont des structures
périodiques
bi-dimensionnelles
solide/solide
qui
présentent l'avantage d'être plus réalistes pour
d'éventuelles applications dans le domaine du filtrage ou
du guidage des ondes élastiques que les systèmes
fluide/solide qui sont plus fréquemment abordés par
d'autres équipes. Par ailleurs, la possibilité d'avoir dans
ces systèmes des ondes élastiques avec une polarisation
transverse enrichit la nature des modes susceptibles de s'y
propager.
Perspectives : L’influence de l’environnement sur
la réponse vibrationnelle de nanostructures va devenir un
point crucial dans des systèmes de dimensions de plus en
plus réduites. L’approche de ce type de thématique pour
l’avenir va nécessiter la mise en œuvre de mesures sur
des entités de plus en plus petites mais également la
possibilité de modifier l’environnement de ces structures.
L’utilisation de structures enterrées est un moyen assez
intuitif de modifier le couplage élastique en choisissant le
couple structure/matrice. L’utilisation des transitions de
phases dans les liants de pression (Néon Argon..) au sein
des enclumes diamant pourra s’avérer également une
piste pour modifier de façon contrôlée l’environnement
de structures déposées en surface par exemple.
L’évolution vers l’étude d’entités de taille nanométriques,
va nécessiter la poursuite de l’effort expérimental afin
d’optimiser la résolution actuelle, mais parallèlement
nous pourrons également utiliser judicieusement une
spécificité inhérente aux ondes volumiques que nous
générons, à savoir leur faible longueur d’onde. En effet,
la focalisation de ces ondes sur des zones de dimension
comparable à leur longueur d’onde, c'est-à-dire quelques
Les progrès que nous avons enregistrés dans la
connaissance des cristaux phononiques sont le résultat
d'une double approche: numérique d'une part avec le
calcul complet des courbes de dispersion et
expérimentale d'autre part avec la production de résultats
originaux qui sont décrits ci-dessous. Notre travail
expérimental s'est appuyé sur une très forte activité
instrumentale, avec la mise au point d'un montage
expérimental permettant la génération et la détection sans
118
dispositif, on peut fixer indépendamment la fréquence
centrale de la bande interdite et sa largeur par des choix
judicieux du substrat et de la géométrie du film
phononique qui le recouvre.
contact, d'ondes élastiques de surface ayant des
fréquences allant jusqu'à quelques dizaines de MHz.
Résultats numériques: Nous avons utilisé une
méthode de développement en ondes planes pour calculer
les courbes de dispersion des ondes élastiques se
propageant à la surface de cristaux phononiques bidimentionnels, et cela pour trois géométries différentes:
(i) le cristal phononique semi-infini constitué de cylindres
noyés dans une matrice, l'axe des cylindres étant
perpendiculaire à la surface libre; (ii) le film phononique
déposé sur un substrat homogène et (iii) la plaque
phononique. Ceci nous a permis de montrer que des
bandes interdites apparaissent au bord des mini-zones de
Brillouin pour le mode de Rayleigh même lorsque la
propagation de l'onde élastique se fait en grande partie
dans le substrat homogène, comme c'est le cas pour le
film phononique sur substrat. Nous avons également
montré que les bandes interdites ne sont complètes que si
les densités et tenseurs élastiques des matériaux
constitutifs du cristal phononique sont suffisamment
contrastés. Lorsque le substrat a une épaisseur finie, il y a
couplage entre les modes élastiques de Rayleigh se
propageant sur les faces supérieure et inférieure: des
modes de plaques (modes de Lamb) apparaissent avec là
encore, ouverture de bandes interdites. Nous avons porté
une attention particulière à la dépendance de la largeur de
ces bandes interdites avec les paramètres géométriques
que sont le taux de remplissage et le rapport de forme
(épaisseur de la plaque) / (périodicité des inclusions).
C'est ainsi que nous avons pu montrer qu'une bande
interdite s'ouvrait pour le mode symétrique de plus bas
ordre dès que le rapport de forme prenait une valeur non
nulle; ceci n'est pas le cas pour le mode antisymétrique.
Perspectives : L'acquisition prochaine d'une
source laser picoseconde, grâce aux crédits de
réinstallation qui nous ont été attribués en 2007, et
l'installation d'une photolithogravure UV dans la salle
blanche de proximité de l’INSP nous permettront
d'étudier les effets de taille dans nos systèmes puisque
nous pourrons faire des études à des fréquences
acoustiques de quelques centaines de MHz, contre
quelques MHz actuellement.
La propagation du flux d'énergie acoustique
opposée à celle du vecteur d'onde, la réfraction négative
des ondes élastiques ou les effets de super-lentille (c'està-dire que la dimension de la tache focale n'est pas
limitée par la diffraction) sont les manifestations les plus
spectaculaires de l'anisotropie et de la dispersion dans
les cristaux phononiques. Nous étudierons ces
phénomènes pour les modes élastiques de surface.
Un préalable à l'étude de ces phénomènes est de
disposer d'un moyen de calcul de la transmission des
ondes élastiques à travers un cristal phononique de
dimensions finies. Nous développerons ce calcul dans le
cadre des collaborations que nous entretenons déjà avec
d'autres équipes universitaires.
Les systèmes phononiques à très fort contraste, du
type solide/vide, présentent sans aucun doute un plus fort
potentiel applicatif que les systèmes solide/solide; nous
seront donc amenés à adapter nos codes de calcul pour
mieux les modéliser.
3) Transport thermique dans les milieux
nanostructurés
Résultats
expérimentaux:
Notre
montage
expérimental présente le très grand avantage d'autoriser
des mesures en n'importe quel point à l'intérieur du cristal
phononique. On peut ainsi enregistrer à chaque instant,
une image de l'état vibratoire de l'ensemble du système. Il
convient également de noter ici que la qualité de nos
résultats expérimentaux, et la reconnaissance par la
communauté scientifique qui en découle, n'ont été
possibles que grâce à notre investissement dans la
conception et le fonctionnement de la salle blanche de
proximité dont s'est doté l'INSP avec l'appui des tutelles.
C'est avec des échantillons élaborés dans cet équipement
que nous avons pu mettre en évidence le creusement de la
bande interdite dans le spectre d'une onde de Rayleigh, au
fur et à mesure que celle-ci progresse dans un cristal
phononique 2D constitué d'inclusions non débouchantes
d'air dans une matrice de cuivre. Ce résultat constitue, à
notre connaissance, la première preuve expérimentale de
l'existence d'une bande interdite pour une onde élastique
se propageant sur une surface corruguée. Plus
récemment, nous avons mis en évidence des bandes
interdites sur les modes de Lamb symétriques et
antisymétriques se propageant dans des plaques
phononiques constituées d'un réseau carré ou triangulaire
de trous dans une plaque de silicium.
Duquesne Jean-Yves
Références: [7], [C2]
On sait que les phonons sont responsables du
transport thermique dans les isolants et les
semiconducteurs. On s'attend donc à des modifications
importantes des propriétés de transport lorsque les
échantillons et les phonons mettent en jeu des longueurs
caractéristiques comparables.
Ce thème est actuellement en plein
développement tant à cause des problèmes fondamentaux
qu'il soulève qu'à cause de ses implications
technologiques.
Nous avons mis au point un nouveau dispositif
expérimental pour l'étude du transport thermique dans les
couches minces. Ce montage a ensuite été appliqué à
deux types de matériaux nanostructurés : des superréseaux
semi-conducteurs
GaAs/AlAs
et
des
nanocomposites formés de nanoparticules métalliques
dispersées dans une matrice vitreuse.
La méthode (dite «méthode 3ω») a été proposée
en 1990 par D. Cahill pour l'étude des matériaux massifs,
puis étendue en 1994 à l'étude de films minces. Il s'agit
de déterminer leur conductivité thermique en mesurant la
réponse thermique d'un fil métallique lithographié à la
surface de l'échantillon, en fonction de la fréquence. La
difficulté essentielle provient du très faible niveau des
signaux utiles (harmoniques d'ordre 3). Une électronique
spécifique a donc dû être développée. Le montage
fonctionne actuellement entre 1 Hz et 3000 Hz. Nous
l'avons validé en étudiant différents matériaux connus
(massifs ou en couche mince). Nous avons mis en
évidence le rôle des résistances d'interface film/substrat
dans la mesure. Dans le cas des semi-conducteurs, une
Un autre résultat marquant a été la mesure des
courbes de dispersion de plaques minces homogènes de
Si, recouvertes d'un film phononique très mince devant la
période du réseau. Nos résultats expérimentaux montrent
que la présence du film phononique n'affecte pas la forme
globale des courbes de dispersion du silicium; en
revanche, une bande interdite s'ouvre au bord de la
première mini-zone de Brillouin sur la branche de Lamb
symétrique et, en bord de seconde zone pour le mode
antisymétrique. Ces résultats montrent qu'avec un tel
119
barrière isolante doit être interposée. Les propriétés
thermiques de ces barrières ont été caractérisées.
Le montage fonctionne également entre 10 K et
300 K. Nous avons montré que l'hélium perturbait
sensiblement les mesures et qu'il était impératif de
travailler sous vide à basse température.
Références : [5], [6], [12], [16], [27], [30], [31], [36],
[40], [41], [43], [49], [50], [51], [L2]
Il convient tout d’abord de noter que le plan quadriennal
écoulé a vu l’arrêt naturel des recherches sur la génération de
2nd
harmonique
dans
les
cristaux
hybrides
« organique/inorganique » lors de la cessation d’activité de S.
Debrus en 2005.
Les super-réseaux GaAs/AlAs que nous
étudions ont été obtenus par MBE au LPN à Marcoussis
et présentent diverses qualités d’interface. Nous avons
mesuré une conduction thermique très inférieure à celle
de leurs constituants. Deux
mécanismes sont
actuellement proposés: l’un faisant intervenir la
modification des modes induite par la super-structure,
l’autre faisant intervenir la diffusion par les interfaces
non parfaites. Nos expériences préliminaires montrent
que la conductivité diminue de 30% lorsque la largeur
des interfaces passe de 0.1 à 0.5 nm. Ceci indique que les
deux mécanismes existent dans le cas d'échantillons de
courte période (4 nm) et que l'on peut passer d'un
mécanisme dominant à l'autre en contrôlant la qualité des
interfaces.
Les matériaux nanocomposites que nous étudions sont
constitués de nanoparticules de métaux nobles dispersées
en matrice diélectrique. Ils présentent une réponse
optique spécifique liée au phénomène de Résonance de
Plasmon de Surface dans les nanoparticules (RPS).
Durant les quatre années écoulées, les activités du groupe
dans ce domaine, d’abord exclusivement centrées sur
l’étude
de l’influence de la morphologie de tels
matériaux sur leurs propriétés optiques non-linéaires du
3ème ordre par la technique de z-scan en régime laser
nanoseconde, se sont étendues vers la thermique et la
dynamique. Examinons maintenant ces différents points
par le détail.
Nous avons poursuivi et développé nos études
d’optique non-linéaire non résolues en temps à travers :
• la conception, la modélisation et la mise en œuvre de
dispositifs pour l’augmentation de la sensibilité de
mesure de la réfraction non-linéaire sur le banc de zscan : masques de phase (anneaux, disques) et
technique hors-axe,
• l’étude du rôle, dans la réponse optique :
¾ de la concentration métallique
¾ de la nature de la matrice hôte
¾ de la nature du métal ,
• le calcul de la topographie du champ local par la
méthode de diffusion multiple dépendante dans des
cas simples.
Les matériaux nanocomposites pour lesquels
nous avons déterminé la conduction thermique à l’aide de
la méthode 3ω sont intéressants pour leurs propriétés
optiques nonlinéaires qui sont décrites dans le thème
suivant. L'inclusion de particules métalliques dans une
matrice de silice permet d'agir sur la conductivité
thermique. Lorsque les particules sont micrométriques, la
conductivité croît avec la concentration et ce résultat
s'explique bien par une théorie de milieu effectif. A
l'inverse, pour des particules nanométriques, nous
constatons que la conductivité diminue lorsque la
concentration augmente. Nos résultats ne peuvent être
expliqués par une théorie de milieu effectif, même si la
résistance d'interface entre nanoparticule et matrice est
prise en considération. Ils pourraient s'interpréter par la
diffusion des phonons thermiques par les particules. Ceci
impliquerait l'existence, dans la silice amorphe, de
phonons dont le libre parcours moyen (10 nm) est
sensiblement supérieur à ce qui est couramment admis
(1 nm). Des études complémentaires sont nécessaires.
Par ailleurs, des expériences antérieures de z-scan
réalisées sur des milieux nanocomposites or-silice dans
(a)
Perspectives: La thématique actuelle, "nanostructuration
et transport thermique", va se poursuivre.
- Recherche d'un minimimum de conductivité dans les
super-réseaux, en fonction de la période: Cette mise en
évidence montrerait que la faible conductivité thermique
des super-réseaux de courte période est une propriété
intrinsèque qui s'explique par la modification des modes
induite par la structuration.
- Nano-composites: nous pensons que l'inclusion de
nanoparticules permet d'agir de façon sélective sur
certaines bandes de phonons thermiques de la matrice. Il
faudrait vérifier cette hypothèse en étudiant des matrices
cristallines, ou encore en contrôlant la dispersion en
taille ainsi que l'arrangement spatial des nanoparticules.
Enfin, certains travaux théoriques montrent une
exacerbation du transport lorsqu'on entre dans un régime
de champ proche électromagnétique entre nanoparticules
métalliques. Nous aimerions étudier cet effet d'un point
de vue expérimental.
4) Dynamique de la réponse optique et
propriétés thermiques de nanoparticules métalliques
organisées
Fig. 3. (a) Illustration schématique de la dispersion
spectrale du phénomène de lentille thermique. (b) Spectre
expérimental de l’indice thermo-réfractif, dn dT , et (c)
du coefficient thermo-absorptif, d κ dT , pour un milieu
nanocomposite Au:SiO2 de concentration en métal 7%. Le
profil de dn dT a pour origine l’exacerbation du champ
électromagnétique local complexe. Ces résultats sont en
bon accord avec les prédictions de notre modèle.
Palpant Bruno, Prot Dominique, Debrus Solange, Guillet
Yannick (doctorant), Mouketou-Missino Alain-Stephen
(doctorant), Rashidi-Huyeh Majid (doctorant puis postdoc)
120
Nous avons ainsi prédit par le calcul, puis mis en
évidence expérimentalement, un effet du champ
électromagnétique complexe local, au voisinage de la
résonance de plasmon, sur les propriétés thermo-optiques
de milieux transparents contenant des nanoparticules de
métaux nobles, comme l’illustre la figure 3. Le champ
local joue ici un rôle similaire à celui qu’il a dans l’effet
Kerr optique de ces milieux inhomogènes.
avant et après le passage de l’impulsion pompe.
Energie (eV)
Nous travaillons actuellement au développement d’une
détection interférométrique qui rendra possible la
détermination de la dynamique de l’indice optique
complexe de l’échantillon à travers la mesure de la valeur
complexe du champ (phase et amplitude). Le principe de
cette détection est d’analyser, grâce à notre spectromètre
imageur couplé à une matrice CCD, les franges
d’interférences générées par recombinaison d’une
impulsion de référence et de l’impulsion sonde, toutes
deux ayant parcouru l’interféromètre sur le même trajet et
en sens inverse et traversant l’échantillon respectivement
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
Energie (eV)
différents régimes temporels d’excitation nous ont
amenés à nous pencher sur l’influence de différents
phénomènes d’origine thermique sur la réponse optique
non-linéaire de milieux nanocomposites. Pour cela, nous
avons réalisé :
• la conception et la mise en œuvre d’un modèle
numérique permettant le calcul de la dynamique des
températures électronique, du réseau métallique et
de la matrice, quel que soit le régime temporel
d’excitation,
• l’analyse du rôle des échanges thermiques entre
particules voisines au sein d’un ensemble de
particules, et au-delà, du rôle de la concentration,
• l’étude spécifique du cas des films minces par
rapport à celui d’un matériau massif,
• la détermination de la dynamique des propriétés
optiques (prise en compte du régime de distribution
électronique athermale dans les nanoparticules d’or
par résolution numérique de l’équation de
Boltzmann ; modèle de bandes d’énergie par
branches paraboliques pour l’or au voisinage des
points X et L de la zone de Brillouin ; théorie de
milieu effectif),
• l’étude des propriétés thermo-optiques et de leur
dispersion
spectrale
dans
des
matériaux
nanocomposites :
¾ par effet de lentille thermique en régime
d’excitation laser impulsionnelle nanoseconde à
travers l’analyse temporelle des signaux de zscan en configuration hors-axe (coll. A.
Ryasnyansky, Ouzbékistan)
¾ par ellipsométrie en température (avec B.
Gallas)
¾ par mesure de thermo-reflectance modulée (en
cours, coll. G. Tessier, ESPCI, Paris)
• le calcul de la contribution du phénomène
d’électrons chauds à la susceptibilité non-linéaire de
nanoparticules métalliques en régime d’excitation
laser impulsionnelle ultra-courte.
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
0.08
(a)
0.04
0.00
-0.04
0
0.006
(b)
0.003
0.000
-0.003
-0.006
1
2 3 4
Temps (ps)
5
Fig. 4. (a) Transmission différentielle (niveaux de couleurs)
en fonction du délai pompe-sonde (abscisse) et de l’énergie
du photon sonde (ordonnée) pour un film mince Au:SiO2
contenant 22%vol d’or, calculé par l’équation de Boltzmann
tenant compte de la distribution électronique athermale et le
modèle à trois températures. (b) Spectre équivalent obtenu
expérimentalement. On remarquera en particulier le signal
mesuré dans le rouge, absent de la simulation.
Perspectives : Nous comptons bien entendu poursuivre
l’étude de l’influence de la morphologie sur la
dynamique de la réponse optique de matériaux
nanocomposites métal-diélectrique. Pour cela, nous
envisageons :
• de travailler à l’amélioration de la sensibilité de
mesure :
¾ par l’adjonction à notre dispositif d’un
amplificateur paramétrique optique permettant
d’ajuster la longueur d’onde de pompe sur un
large spectre (début 2008)
¾ par l’acquisition et la mise en place d’une
nouvelle matrice CCD à haute cadence
permettant le montage d’une détection
synchrone du signal
• d’étendre les calculs de la topographie du champ
électromagnétique local par la méthode de diffusion
multiple dépendante dans des cas réels
(distributions aléatoires de particules, superréseaux 2D et 3D) afin d’analyser l’influence de
l’ordre (et du désordre), des effets d’anisotropie
(paires, rangées,…)
• de développer l’étude du rôle de la distribution
spatiale des particules dans le matériau en réalisant
une comparaison entre milieux à distribution
aléatoire (élaborés à l’INSP par pulvérisation
cathodique) et milieux organisés. Ces derniers
Parallèlement à ces travaux, principalement théoriques,
consacrés aux relations entre réponses optique et
thermique de matériaux nanocomposites, nous avons
concrétisé nos projets d’étude expérimentale de la
dynamique ultra-rapide de leur réponse optique. Nous
avons en effet développé un dispositif pompe-sonde pour
la mesure de la dynamique de la transmission optique
différentielle résolue temporellement et spectralement,
utilisant une source laser femtoseconde amplifiée. Outre
le banc optique lui-même, comprenant la génération d’un
super-continuum de lumière blanche, ce montage a
nécessité la réalisation du programme de pilotage et
d’acquisition (LabView). Des premières expériences ont
alors été menées sur des nanocomposites Au:SiO2 et
Ag:Si3N4 (coll. L. Simonot, LMP, Poitiers) de différentes
concentrations métalliques. Ainsi, nous avons pu détecter
un signal inhabituel dans la partie rouge du spectre
visible (cf. Fig. 4), augmentant avec la concentration
métallique, et attribué à la modification des interactions
électromagnétiques entre particules voisines.
121
• l’utilisation de nanoparticules métalliques comme
nano-antennes électromagnétiques et/ou sources
thermiques pour contrôler, modifier ou exacerber la
réponse d’objets au voisinage (quantum dots, objets
d’intérêt biologique,…).
consisteront en des échantillons multicouches
composite/diélectrique élaborés par pulvérisation
cathodique (coll. L. Simonot, LMP Poitiers), des
réseaux 2D de plots d’or élaborés par nanolithographie électronique (cf. Fig. 5) ou par voie
chimique (coll. S. Ravaine, CRPP Bordeaux).
Précisons enfin que les différents aspects du travail
de recherche que nous nous proposons de mener et que
nous venons de décrire s’insèrent à part entière dans
les thématiques du GDR « Or-Nano » récemment créé
(GdR CNRS 2986, Nanoparticules d’Or : Ingénierie et
Réactivité de Surface), auquel nous appartenons.
5) Sonoluminescence
Thomas Jean-Louis, Bras Nicole, Péronne Emmanuel,
Perrin Bernard
Références : [5]
Fig. 5. Image MEB d’un super-réseau 2D de plots d’or de
30 nm de diamètre et 25 nm de hauteur, gravés par
lithographie électronique sur un substrat de quartz (coll. E.
Cambril, LPN Marcoussis). La technique d’élaboration est
en cours d’optimisation pour nos études d’optique linéaire
et non-linéaire.
La sonoluminescence est l'émission périodique d'un
paquet de photons d'une durée d'environ 100 ps à la fin de
l'implosion d'une bulle de gaz sous l'effet d'une onde
acoustique. On distingue sonoluminescence à bulle
unique sujet de notre étude de la sonoluminescence dans
un « nuage » de bulles. Ce phénomène résulte de
l'effondrement très rapide de la bulle, à Mach 3, qui
conduit à la formation d'un plasma dense dont la pression
interne est de 7 GPa avec une température supérieure à
15000K. Cet état particulier ne dure que 100ps et le rayon
de la bulle est alors inférieur au micron et peut même être
inférieur à 100nm dans certaines conditions
expérimentales. La mesure de température ne reflète peut
être que l'état de surface de la bulle car des mesures sont
en faveur d'une température supérieure au centre afin
d'expliquer des raies d'émission correspondant à des
niveaux excitation d'ion Ar à 37 eV. L'origine d'un coeur
chaud de très faible dimension serait la conséquence de
l'existence d'une onde de choc acoustique dans la bulle
qui viendrait améliorer encore le confinement inertiel.
Outre le contrôle de la répartition spatiale des
particules au sein du matériau, nous nous proposons plus
ponctuellement de nous pencher sur les effets de la
morphologie des particules elles-mêmes :
• en incluant les effets de taille finie des
nanoparticules dans la dynamique à travers une
modélisation phénoménologique d’effets quantiques
• en réalisant la mesure et la modélisation de la
dynamique de la réponse optique de nano-objets
métalliques non sphériques (coll. H. Remita, LCP,
Paris-Sud et B. Pansu, LPS, Paris-Sud) à travers :
¾ l’étude de nano-barreaux d’or et de platine
¾ l’analyse des effets liés à l’anisotropie.
L’étude des aspects thermiques, initiée dans le plan
quadriennal écoulé, devrait prendre de l’ampleur dans
les prochaines années, sous l’impulsion du projet ANRPNANO « EThNa » regroupant six équipes d’Ile-deFrance et d’Aquitaine et soutenu par le GDR Thermique
des Nanosystèmes et Nanomatériaux (n° 2503). En effet,
en relation avec les mesures de dynamique, il nous
semble important de développer l’analyse du transfert de
chaleur aux temps courts et aux échelles nanométriques
au-delà de la loi de Fourier. Pour cela, nous
envisageons :
• l’application des modèles de Cattaneo (aspect
temporel) et « diffusif-balistique » (temps et espace)
au cas de l’échange nanoparticule-environnement
(coll. S. Volz, EM2C, Ecole Centrale Paris)
• le calcul de la conductivité thermique des films
minces nanocomposites et sa comparaison avec les
résultats de mesure par la méthode 3ω (avec J.-Y.
Duquesne)
• la mesure de la vitesse du son dans ces milieux (avec
B. Perrin)
• la mesure résolue en temps des échanges thermiques
dans les milieux nanocomposites sous excitation
laser pulsée (avec L. Belliard).
De nombreuses équipes ont essayé de changer
certains paramètres de l'expérience pour essayer
d'augmenter encore l'énergie et éventuellement de
renforcer ou déclencher cette onde interne à la bulle. Une
expérience complètement originale et unique utilisant des
ondes acoustiques impulsionnelles focalisées au bon
moment sur une bulle en régime de SBSL a été
développée. Dans ce montage 8 transducteurs piézoélectriques de fréquence centrale 700 kHz ont été ajoutés.
Ces transducteurs sont utilisés pour créer une impulsion
de pression et modifier ainsi l'environnement de la bulle à
des instants critiques de son évolution. La pression
ressentie par la bulle lors de son effondrement peut alors
être 10 à 100 fois plus importante que dans les
expériences classiques ce qui induit des effondrements de
la bulle plus rapides. Il faut aussi souligner que d'une
part, l'impulsion de pression engendrée par les
traducteurs hautes fréquences a une influence négligeable
sur l'équilibre dynamique de la bulle du moment que sa
récurrence est faible. D'autre part, l'instabilité
paramétrique qui s'établit sur des temps longs n'est pas
affectée de même que l'instabilité de Rayleigh-Taylor car
cette fois-ci le fluide lourd est accéléré vers le léger
pendant la phase d'implosion.
Nous développons
actuellement un nouveau montage expérimental qui
apportera un gain d'un ordre de grandeur sur les
impulsions de pression et qui sera couplé à un système de
mesure de la dynamique de la bulle par diffusion
d'impulsion laser femtoseconde.
Enfin, nous nous proposons d’initier un thème autour
de la manipulation du champ électromagnétique à
l’échelle nanométrique. Ce développement, encore à
l’état prospectif, devrait s’orienter vers :
• le couplage de nanoparticules métalliques à des
cristaux photoniques pour le confinement
spectralement sélectif d’un fort champ (avec A.
Maître, J.-M. Frigério)
Perspectives :
Amplification
expérimentale
du
confinement inertiel en sonoluminescence et mesure dans
122
des fractions volumiques de 0,5% à 25% et nous avons
également réalisé des expériences sur des solutions de
nano-particules de silice en régime d'onde de choc.
un domaine de paramètres inexploré de ce phénomène
afin d'avancer sur la modélisation. Développement de
nouveaux outils de modélisation numérique.
Dans le second cas nous étudions la propagation
de vortex acoustiques en régime non linéaire. Ces ondes
possèdent un mouvement orbital qui se prête bien pour
imprimer des rotations à un objet piégé par la pression de
radiation d'une pince optique ou acoustique. Ces ondes
ont aussi des propriétés de stabilité et des lois de
conservation originales en régime non linéaire. Ces
caractéristiques suscitent de nombreuses recherches en
optique et ont donné naissance à un nouveau domaine de
recherche intitulé « singular optics ». En acoustique nous
avons pris une avance certaine sur la synthèse
expérimentale et l'étude de ces ondes. Plus récemment, il
est apparu que ces modes acoustiques tournant sont
engendrés par les moteurs d'avion et apparaissent comme
une des nuisances principales dans la phase de décollage.
6) Acoustique non linéaire
Thomas Jean-Louis, Baudoin Michaël (doctorant),
Ganjehi Lili (doctorante)
Références : [9], [10], [11], [29], [33], [53]
Les ondes acoustiques se propagent dans un grand
nombre de milieux fluides ou solides et permettent ainsi
de sonder en profondeur ces matériaux. Pour un nombre
croissant d’applications, la non-linéarité de ces ondes est
mise en jeu, soit comme nuisance occasionnée
(essentiellement en acoustique aérienne), soit au contraire
pour utiliser les propriétés non-linéaires : émission
paramétrique en acoustique sous-marine, imagerie
harmonique des tissus biologiques en échographie,
ultrasons intenses focalisés en thérapie médicale,
caractérisation non-destructive des matériaux (CND).
Nous avons d'abord abordé des problèmes de focalisation
d'onde de choc sur des caustiques (singularité d'amplitude
du champ) qui intéressent l'aéronautique afin de prédire la
gêne occasionnée par de futurs avions supersoniques. Les
projets d'avion d'affaire supersonique sont maintenant
très avancés et leur développement n'attend plus qu'un
changement éventuel de la législation sur les nuisances
sonores en particulier aux USA. Cette collaboration
fructueuse avec l'institut Jean Le Rond d'Alembert (UMR
7190 UPMC/CNRS) se poursuit actuellement sur deux
projets concernant d'une part la propagation d'onde
acoustique en milieu hétérogène et d'autre part la
propagation non linéaire des vortex acoustiques
(singularité de phase).
Perspectives : Modélisation de la propagation des ondes
de choc acoustique à travers des milieux hétérogènes
avec application potentielle en aéronautique et en
médecine. Problème inverse pour la caractérisation
acoustique de solution concentrée de nano-particules.
Meilleures compréhension de la physique des vortex
acoustique en régime non linéaire et la limitation de leur
nuisance en aéronautique en collaboration avec AIRBUS
(contrat RINI5 en négociation) ou leur utilisation en
ultrasons.
7) Vieillissement des verres orientationnels
Bonello Bernard, Doussineau Pierre
Un terme a été mis à ce thème de recherche au
cours du plan quadriennal écoulé. Nous décrivons pour
mémoire les principaux résultats obtenus.
Dans le premier cas deux types de milieu sont
étudiés. Tout d'abord, nous regardons l'interaction d'une
onde de choc acoustique avec des hétérogénéités de taille
proche de la longueur d'onde. Ce type d'hétérogénéité
crée des lentilles acoustiques et modifie le contenu
spectral lors du passage par des chocs à travers les
caustiques. Ce type d'étude intéresse la prédiction du
bang sonique lors de son interaction avec la couche limite
de l'atmosphère terrestre. C'est une problématique qui se
retrouve également dans la thérapie médicale par
ultrasons. Deuxièmement, nous avons étudié un milieu
formé d’hétérogénéités de taille très inférieure à la
longueur d’onde formé de nanoparticules de silice en
suspension. Nous avons développé, pour ce milieu, un
modèle de propagation en champ moyen qui tient compte
des interactions entre le champ acoustique et les
nanoparticules et dont l'originalité est de tenir compte des
corrélations du champ en diffusion multiple. Ces
corrélations, généralement négligées, deviennent
importantes lorsque la fraction volumique dépasse
quelques pourcent. Il apparaît alors un couplage entre le
mouvement des nano particules qui sont entraînées par la
couche limite visqueuse créée par le mouvement de leurs
voisines. Ce mouvement collectif se traduit par une
diminution de l'atténuation acoustique en fonction de la
fraction volumique contrairement à un modèle de
diffusion multiple plus simple qui prédit une croissance
monotone de l'atténuation. Ce modèle est en très bon
accord avec des données expérimentales existantes pour
Le niobotantalate de potassium KTa1-xNbxO3 (x =
0,027) présente une phase ferroélectrique désordonnée
dans laquelle se manifestent des effets de vieillissement
et les phénomènes reliés de mémoire et rajeunissement.
Le vieillissement sous champ électrique induit une
asymétrie dans les propriétés. La réponse de la constante
diélectrique complexe à des changements infinitésimaux
de champ δE appliqués après un temps variable de
vieillissement sous champ E a été mesurée pour
différentes valeurs de E et de temps de vieillissement.
Pour des temps courts, la réponse a deux contributions,
l’une, importante, proportionnelle à δE , l’autre, faible,
( )2
quadratique en δE . La première décroît alors que la
seconde augmente avec le temps lors d’un vieillissement
isotherme. Ces comportements s’expliquent dans le cadre
d’un modèle de croissance de domaines de polarisation.
La décroissance de la contribution linéaire est attribuée à
la décroissance de la surface totale des parois alors que la
croissance de la contribution quadratique est attribuée
aux reconformations des parois des domaines.
123
Publications
[1].
«Picosecond acoustics with very high
lateral resolution» Siry P., Belliard L.,
Perrin B. ; Acustica – acta acustica ; 89 ;
925 ; 2003
[14].
«Aging of the asymmetry induced by the
biasing electric field in a disordered
ferroelectri» ; Bonello B., Doussineau P.,
Dupuis V., Levelut A. ; Europhys. Lett. ;
66 ; 520 ; 2004
[15].
«Non-destructive
evaluation
of
micrometric diamond films with an
interferometric picosecond ultrasonics
technique» ; Rossignol C., Perrin B.,
Laborde
S.,
Vandenbulcke
L.,
Barros M. I., Djemia P. ; J. Appl. Phys.;
95 ; 4157 ; 2004
[16].
«Thermal response of nanocomposite
materials under pulsed laser excitation» ;
Rashidi-Huyeh M. and Palpant B. ; J.
Appl. Phys.; 96 (8) ; 4475 ; 2004
[17].
«Nonadiabatic alignment of asymmetric
top molecules : Rotational Revivals» ;
Poulsen M.D., Péronne E., Stapelfeldt H.,
Bisgaard C.Z., Viftrup S.S., Hamilton E.
and Seideman T. ; J. Chem. Phys. ; 121 ;
783 ; 2004
[18].
«Control and Imaging of interfering wave
packets in dissociating I2 molecules» ;
Petersen Ch., Péronne E., Thøgersen J.,
Stapelfeldt H. and Machholm M. ; Phys.
Rev. A ; 70 ; 033404 ; 2004
[19].
«Nonadiabatic laser-induced alignment of
iodobenzene molecules» ; Péronne E.,
Poulsen
M.D.,
Stapelfeldt
H.,
Bisgaard C.Z.,
Hamilton
E.
and
Seideman T. ; Phys. Rev. A; 70 ; 063410 ;
2004
[20].
«Spectroscopy of electronic states in InAs
quantum dots grown on InxAl1xAs/InP(001» ; Fossard F., Helman A.,
Fishman G., Julien F. H., Brault J.,
Gendry M., Péronne E., Alexandrou A.,
Schacham S.E., Bahir G. and Finkman E. ;
Phys. Rev. B ; 69 ; 155333 ; 2004
[21].
«Picosecond ultrasonics and Brillouin
light scattering studies of the elastic
properties of ultrathin multilayers in the
composite system permalloy-alumina» ;
Rossignol C., Perrin B., Bonello B.,
Djemia Ph., Moch Ph., Hurdequin H. ;
Phys. Rev. B ; 70 ; 094102 ; 2004
[22].
«Inhomogeneous pressure field inside a
collapsing bubble accelerated by an
acoustic pulse» ; Thomas J.L. ; Phys. Rev.
E ; 70 ; 016301 ; 2004
[23].
«Observation of enhanced field-free
molecular alignment by two laser pulses» ;
Bisgaard C.Z., Poulsen M.D., Péronne E.,
Viftrup S.S. and Stapelfeldt H. ; Phys.
Rev. Lett. ; 92 ; 173004 ; 2004
[24].
«High power transcranial beam steering
for ultrasonic brain therapy» ; Pernot M.,
Aubry J.-F., Tanter M., Thomas J.-L.,
Fink M. ; Physics in Medicine and
Biology ; 48 (16) ; 2577 ; 2003
«Semiconductor phonon cavities» ;
Lacharmoise
P.,
Fainstein
A.,
Jusserand B., Perrin B. ; Phys. stat. sol. ;
c1 ; 2698 ; 2004
[25].
«Vibrational spectra, phase transition and
nonlinear optical properties of anilinium
perchlorate molecular-ionic solid» ;
Marchewka M.K., Debrus S., Drozd M.,
Baran J., Barnes A.J., Xue D.,
Ratajczak H. ; Polish J. Chem.; 77 ; 1625 ;
2003
«Photothermal experiments in the time
and frequency domains using an optical
near field microscope ; Bienville T.,
Belliard L., Siry P., Perrin B.;
Superlattices and Microstructures ; 35 ;
363 ; 2004
[26].
«Evidence of plastic damage in thin films
around buckling structures» ; Coupeau C.,
Goudeau P., Belliard L., George M.,
Tamura N., Cleymand F., Colin J., Perrin
B., Grihle J. ; Thin Solid Films ; 469-470 ;
221 ; 2004
[2].
«Comparison of test images obtained from
various
SNOM
configurations»;
Bainier C., Vannier C., Courjon D.,
Rivoal C.-J., Ducourtrieux S., de Wilde
Y., Aigouy L., Formanek F., Belliard L.,
Siry P., Perrin B. ; Appl. Optics ; 42 ;
691 ; 2003
[3].
«Experimental
sub-wavelength
localization of scatterers by decomposition
of the time reversal operator interpreted as
a covariance matrix» ; Prada Cl.,
Thomas J.L. ; J. Acoust. Soc. Am. ; 114
(1) ; 235 ; 2003
[4].
«Brillouin light scattering study of
Langmuir-Blodgett
films :
elastic
properties versus thickness» ; Bonello B.,
Djemia Ph., Ganot F., Rouai L., Louis G. ;
J. Appl. Phys.; 94 ; 3606 ; 2003
[5].
«Crystal structure, vibrational spectra and
nonlinear optical properties of Lhistidinium-L-tartrate hemihydrate» ;
Marchewka
M.K.,
Debrus
S.,
Pietraszko A., Barnes A.J., Ratajczak H. ;
Journal of Molecular Structure ; 656 ;
265 ; 2003
[6].
[7].
Erratum to «Crystal structure, vibrational
spectra and nonlinear optical properties of
the orthoarsenic acid-tris-(hydro-xy-methyl) - aminomethane crystal» ; Debrus S.,
May M., Barycki J., Glowiak T.,
Barnes A.J., Ratajczak H., Xue D. ;
Journal of Molecular Structure ; 595 ; 661662 ; 2003 ; 689, 175 (2004)
«Ultrasonic attenuation in a quasicrystal
studied by picosecond acoustics as a
function of temperature and frequency» ;
Duquesne J.-Y., Perrin B. ; Phys. Rev. B ;
68 ; 134205 ; 2003
[8].
«Nonadiabatic alignment of asymmetric
top molecules : Field free alignment of
iodobenzene» ; Péronne E., Poulsen M.D.,
Bisgaard C.Z., Seideman T. and
Stapelfeldt H. ; Phys. Rev. Lett. ; 91 ;
043003 ; 2003
[9].
«Experimental simulation of supersonic
superboom in a water tank : nonlinear
focusing of weak shock waves at a fold
caustic» ; Marchiano R., Thomas J.L.,
Coulouvrat F. ; Phys. Rev. Lett. ; 91 ;
184301 ; 2003
[10].
[11].
[12].
[13].
«Pseudo
angular
momentum
topological charge conservation for
linear acoustical vortices» ; Thomas
Marchiano R. ; Phys. Rev. Lett.;
244302 ; 2003
and
non
J.L.,
91 ;
«Quantum Cascade Photodetector» ;
Gendron L., Carras M., Huynh A.,
Ortiz V., Koeniguer C., Berger V. ;
Applied Physics Letters ; 85 ; 2824 ; 2004
124
[27].
«Nonlinear optical absorption of ZnO
doped with copper nanoparticles in the
picosecond and nanosecond pulse laser
field » ; Ryasnyansky A., Palpant B.,
Debrus S., Ganeev R., Stephanov A.,
Can N., Buchal C., Uysal S.; Appl.
Optics ; 44 ; 2839 ; 2005
[28].
«Interferometric Detection in Picosecond
Ultrasonics for Non-Destructive Testing of
Submicrometric Opaque Multilayered
Samples : TiN / AlCu / TiN / Ti / Si» ;
Rossignol C., Perrin B. ; IEEE
Transactions on Ultrasonics, Ferroelectric
and Frequency Control ; 52 ; 1354 ; 2005
[40].
«Counterintuitive thermo-optical response
of
metal-dielectric
nanocomposite
materials as a result of local
electromagnetic field enhancement» ;
Rashidi-Huyeh M. and Palpant B., Phys.
Rev. B 74, 075405 ; 2006
[41].
«Nonlinear optical properties of copper
nanoparticles synthesized in indium tin
oxide matrix by ion implantation» ;
Ryasnyansky A. I., Palpant B., Debrus S.,
Khaibullin R. I. and Stepanov A. L., J.
Opt. Soc. Am. B ; 23 (7) ; 1–6 ; 2006
[42].
«Individual and collective vibrational
modes of nanostructures studied by
picosecond ultrasonics» ; Bienville T.,
Robillard J.-F., Belliard L., Roch-Jeune I.,
Devos A., Perrin B. ; Ultrasonics ; 1289 ;
2006
[29].
«Nonlinear focusing of acoustic shock
waves at a cusp caustic» ; Marchiano R.,
Thomas J.L., Coulouvrat F. ; J. Acoust.
Soc. Am. ; 117 ; 566 ; 2005
[30].
«Third-order nonlinearities of Bi12GeO20
crystal
measured
by
nanosecond
radiation»; Ganeev A., Ryasnyansky A. I.,
Palpant B. and Debrus S. ; J. Appl. Phys.;
97 ; 104303 ; 2005
[43].
«Theoretical investigation of the off-axis
z-scan technique for nonlinear optical
refraction measurement»; Ryasnyansky A.
and Palpant B. ; Appl. Opt. 45 (12) ;
2773–2776 ; 2006
[31].
«Size evolution of the optical properties of
copper clusters embedded in alumina : an
experimental and theoretical study of size
dependence» ; Celep G., Cottancin E.,
Lermé J., Pellarin M., Arnaud L.,
Huntzinger J. R., Broyer M., Palpant B.,
Boisron O. and Mélinon P.; Phys. Rev. B ;
70 ; 165409 ; 2005
[44].
«Aging of the field-induced asymmetry in
a disordered ferroelectric» ; Bonello B.,
Doussineau P., Dupuis V., Levelut A. ;
Eur. Phys .J. B ; 52 ; 219 ; 2006
[45].
«Generation and detection of acoustic
solitons in crystalline solids» ; Peronne E.,
Perrin B.; Ultrasonics ; 1203; 2006
[32].
«Strain, interdiffusion, and microstructural
evolution under ion irradiation in
Ni(111)/Mo(110)
multilayers:
Interdependence with elastic properties» ;
Martin F., Jaouen C;, Pacaud J.,
Abadias G., Djemia P., Ganot F.; Phys.
Rev. B ; 71 ; 045422 ; 2005
[46].
«Characterization of mechanical and
thermal properties using ultrafast optical
metrology»; Antonelli G. A., Perrin B.,
Daly C., Cahill D. G. ; MRS Bulletin ; 31 ;
607 ; 2006
[47].
[33].
«Synthesis and analysis of linear and
nonlinear
acoustical
vortices»
;
Marchiano R., Thomas J.L.; Phys. Rev. E ;
71 ; 066616 ; 2005
«Generation and detection of coherent and
incoherent phonons in picosecond
ultrasonics» ; Perrin B., Peronne E.,
Belliard L. ; Ultrasonics ; 1277 ; 2006
[48].
[34].
«Optoacoustical spectrum of the metalinsulator transition compound NdNiO3 :
Sub-picosecond pump-probe study» ;
Ruello P., Perrin B., Pézeril T., Gusev V.,
Gougeon S., Chigarev N., Laffez P.,
Picart P., Mounier D., Breteau J.M. ;
Physica B ; 363 ; 43 ; 2005
«Sub-terahertz phonon dynamics in
acoustic nanocavities»; Huynh A.,
Lanzillotti-Kimura N. D., Jusserand B.,
Perrin B., Fainstein A., PascualWinter M. F.,
Péronne
E.
and
Lemaitre A. ; Phys. Rev. Lett. ; 97 ;
115502 ; 2006
[49].
[35].
«Etude des phénomènes thermiques aux
temps courts par une technique pompesonde optique» ; Perrin B.; Cours de
l’Ecole « Micro et Nanothermique »;
Editions du CNRS (25 pages) ; à paraître
«Highly
dispersive
thermo-optical
properties of gold nanoparticles»;
Palpant B., Rashidi-Huyeh M., Gallas B.,
Chenot S., and Fisson S. ; Appl. Phys.
Lett. ; 90 (22) ; 223105 ; 2007
[50].
[36].
« l-lysine-l-tartaric acid: New molecular
complex with nonlinear optical properties.
Structure, vibrational spectra and phase
transitions » ; Debrus S., Marchewka
M.K., Baran J., Drozd M., Czopnik R.,
Pietraszko A. and Ratajczak H.; J. Sol. St.
Chem. 178 ; 2880 ; 2005
«Optical
nonlinearities
of
Au
nanoparticles embedded in zinc oxide
matrix»; Ryasnyansky A., Palpant B.,
Debrus S., Pal U. and Stepanov A. L. ;
Opt. Commun. ; 273 ; 538–543 ; 2007
[51].
«Third-order nonlinear-optical parameters
of gold nanoparticles in different
matrices»; Ryasnyanskiy A. I., Palpant B.,
Debrus S., Pal U., and Stepanov A., J.
Lumin.; 127 ; 181–185 ; 2007
[52].
«Lamb waves in plates covered by a twodimensional phononic film» ; Bonello B.,
Charles C., Ganot F.; Appl. Phys. Lett. ;
90 ; 021909 ; 2007
[53].
« An extended coupled phase theory for
the sound propagation in polydisperse
concentrated
suspensions
of
rigid
particles» ; Baudoin M., Thomas J. –L.,
Coulouvrat F. and Lhuillier D., J. Acoust.
Soc. Am ; 121 ; 3386 ; 2007
[37].
«Parametric scattering in semiconductor
microcavities probed by four-wave
mixing» ; Huynh A., Diederichs C.,
Dani K.M., Andre R., Dang L.S.,
Tignon J.; Chemical Physics ; 318 ; 147 ;
2005
[38].
«Velocity of a SAW propagating in a 2D
phononic crystal» ; Bonello B., Charles C.,
Ganot F. ; Ultrasonics ; 2006
[39].
«Propagation of guided elastic waves in a
2D phononic crystal» ; Charles C.,
Bonello B.,. Ganot F. ; Ultrasonics, ; 2006
125
[54].
« Selective optical generation of coherent
acoustic nanocavity modes » ; Pascual
Winter M. F., Rozas G., Fainstein A.,
Jusserand B., Perrin B., Huynh A.,
Vaccaro P. O., and Saravanan S. ; Phys.
Rev. Lett. ; 98 ; 265501 ; 2007
•
[55].
« Ultrafast electronic dynamics in the
Metal-Insulator
transition
NdNiO3
compound » ; Ruello P., Zhang S.,
Laffez P., Perrin B., Gusev V. ; accepted
for publication Phys. Rev. B
•
•
[L1] Perrin Bernard, «Investigation of short-time heat
transfer effects by an optical pump and probe method »,
2007, Topics in Applied Physics 107, 333-357 – Springer
•
[L2] Palpant Bruno, «Third-order nonlinear optical
response of metal nanoparticles », 2006, in “Nonlinear
optical properties of matter: From molecules to
condensed phases” edited by M. G. Papadopoulos, J.
Leszczynski and A. J. Sadlej , Series: Challenges and
Advances in Computational Chemistry and Physics, Vol.
1, pp. 461–508 - Springer, New York
•
[C1] «Evidence for electron thermal effect in the thirdorder nonlinear optical response of matrix-embedded
gold nanoparticles» ; Palpant;B., Prot D., Mouketou
Missono A.S., Rashidi M., Sella C., Debrus S. ;
Proceedings of the SPIE's 48th Annual Meeting, 5221,
1423 (2003)
•
[C2] «Ultrasonic attenuation in quasicystalline AlPdMn
studied by picosecond acoustics»
; Duquesne J.-Y., Perrin
B.; Proceedings of the 5th World Congress on
Ultrasonics, 1201 ; 2003
«Phonons in heterostructures studied by
picosecond acoustics»; Perrin B.; Phonons
2004 - Eleventh International Conference on
Phonon Scattering in Condensed Matter.; Saint
Petersbourg (Russie) ; Juillet 2004
«Picosecond ultrasonics in nanostructures and
bulk systems» ; Perrin B. ; Journées AFPAC ;
Wye College (Grande Bretagne) ; Janvier 2006
«Nano-acoustics and Terahertz acoustics» ;
Perrin B. ; International Workshop on
Nanoscale Energy Conversion and Information
Processing Devices» ; Nice (France) ;
Septembre 2006
« Picosecond ultrasonics in multilayered
structures » et «A few variations on standard
picosecond ultrasonics experiments»; B. Perrin,
Ecole Son et Lumière : from microphotonics to
nanophononics ; Cargèse (France) ; Octobre
2006
«Ballistic transport of phonons studied by an
optical pump and probe technique» ; Perrin B.,
Belliard, L. , Péronne E. , Zhang S.; MRS
Spring Meeting ; San Franscisco (USA) ; Avril
2007
«Phonon engineered nanostructures studied by
picosecond ultrasonics» ; Perrin B., LanzillottiKimura, Zhang S., Huynh A., Péronne E.,
Belliard L., Jusserand B., Fainstein A.,
Lemaître A., Michel A., Abadias G., Jaouen C.;
MRS Fall Meeting ; Boston (USA) ; November
2007
Thèses et HDR
[C3] «Picosecond acoustics with very high lateral
resolution» ; Bienvilleth T., Belliard L., Siry P., Perrin B.;
Proceedings of the 5 World Congress on Ultrasonics,
809 ; 2003
•
•
[C4] «Picosecond ultrasonics study of MoxNi1-x solid
solutions»; Laborde S.,
Perrin B., Abadias G., Jaouen C.;
Proceedings of the 5th World Congress on Ultrasonics,
817 ; 2003
•
[C5] « Generation and detection of quasi-transverse
waves in an anisotropic crystal by picosecond
ultrasonics»;
Bienville T., Perrin B.; Proceedings of the
5th World Congress on Ultrasonics, 813; 2003
•
[C6] «Sub-terahertz phonon dynamics in acoustic
nanocavities »; Lanzillotti-Kimura N. D. , Huynh A.,
Jusserand B., Perrin B., Fainstein A., Pascual Winter
M. F.,Péronne E., Lemaître A.; 28th International
Conference on the Physics of Semiconductors – ICPS
2006, AIP Conference Proceedings. 893, 1131 ; 2007
•
[C7] « Resonant Raman scattering of cavity confined
acoustic phonons in an optical microcavity»; LanzillottiKimura N. D.,Fainstein A., Jusserand B., Lemaître A.;
28th International Conference on the Physics of
Semiconductors – ICPS 2006, AIP Conference
Proceedings. 893, 1141; 2007
•
•
[C8] « Selective optical generation of a coherent acoustic
nanocavity mode », Pascual Winter M. F.,Rozas G.,
Jusserand B., Perrin B., Fainstein A.,Saravanan S. , and
Vaccaro P. O., 28th International Conference on the
Physics of Semiconductors, Vienna (Austria) July 2006,
AIP Conference Proceedings; 893; 965; 2007.
Thomas Jean-Louis, HDR UPMC, 2005
« Singularités d’amplitude et de phase en
acoustique non linéaire. Application au bang
sonique », Marchiano Régis, thèse UPMC,
2003
« La technique de Z-scan : développement et
application à l’étude de la réponse optique nonlinéaire de matériaux nano-composites»,
Mouketou-Missono Alain Stephen, thèse
UPMC, 2006
« Génération et détection d’ondes acoustiques
dans le domaine du TeraHertz », Laborde
Stéphane, thèse UPMC, 2006
« Réalisation d’un dispositif d’acoustique
picoseconde à haute résolution latérale :
application
à
l’étude
des
propriétés
vibrationnelles de micro- et nano-structures »,
Bienville Tatiana, thèse UPMC, 2006
« Propagation d'ondes élastiques de surface
dans un cristal phononique », Charles Christine,
thèse UPMC, 2006
« Influence des effets thermiques sur la
réponse optique de matériaux nanocomposites
métal-diélectrique », Rashidi-Huyeh Majid,
thèse UPMC, 2006
•
«Picosecond Ultrasonics and Near Field
Optical Microscopy» Perrin B. ; Ultrasonics
International ; Grenade (Espagne) ; Juillet 2003
•
«Boosting Single Bubble SonoLuminescence
with an acoustic pulse» ; Thomas J.-L. ;
CFA/DAGA Strasbourg ; 2004
•
•
126
Fainstein, Alejandro (CAB, CNEA, Bariloche,
Argentine) – Action ECOS « Ingénierie de
phonons acoustiques confinés en microcavités
de semiconducteurs »
Ryasnyansky Aleksandr (Samarkand State
University, Ouzbékistan)
•
•
•
•
•
•
Ganeev Rashid A. (NPO Akadempribor,
Akademgorodok, Tashkent, Ouzbékistan, et
Institute of Solid State Physics, University of
Tokyo, Japon)
Stepanov Andrey L. (Kazan Physics-Technical
Institute, Russian Academy of Sciences,
Russie, et Institute for Physics and E.
Schrödinger Institute for Nanoscale Research,
Karl-Franzens-University Graz, Autriche)
Can N. et Uysal S. (Physics Department,
Faculty of Arts and Sciences, Celal Bayar
University, Turquie)
Buchal
C.
(KFA
Julich
GmbH,
Forschungszentrum,
Inst
Schichten
&
Grenzflachen, Julich, Allemagne)
Pal Umapada (Instituto de Física, Universidad
Autónoma de Puebla, Mexique)
•
•
•
•
•
•
Autres
Contrats publics
•
ACI-Surfaces Interfaces-(11/2001-11/2004),
B. Perrin
•
SESAME-Region IdF : « Optique ultrarapide
dans les nano-objets » (03/2004-03/2008)
Laurent Belliard, Bruno Palpant, Bernard
Perrin (coordinateur Roger Grousson)
•
PPF Université Pierre et Marie Curie
« Optique femtoseconde dans les nanoobjets », B. Palpant (coordinatrice : E.
Giacobino, 2001–2004)
•
ANR-PNANO
:
NANOSONIQUE,
B. Jusserand et B. Perrin (2006-2008)
•
ANR PNANO 2006 « EThNa : Etude de
l'amplification de la conduction Thermique
dans
systèmes
caloporteurs
composés
de Nanoparticules », B. Palpant (coordinateur :
S. Dilhaire ; 2007–2009)
•
C’Nano IdF « NANORODS : Processus de
nucléation croissance de nano-barreaux
métalliques et étude des propriétés optiques »,
B. Palpant (coordinatrice : H. Remita ; 2007)
•
Crédits « ATIP 2005 » CNRS-STIC « des
solitons acoustiques pour l’étude des
nanostructures et imagerie acoustique de nanoobjets », A. Huynh
Crédits mi-lourds SPM « Nano acoustique et
nano-thermique » B. Perrin
Crédits mi-lourds SPM «2006 » J.-L. Thomas
sonoluminescence
Projet européen 5ème PCRD External noise :
“ modelling of sonic boom ”. G4RD-CT-200000398 « SOBER ». janvier 2001 - avril 2004.
J.-L. Thomas (coordinateur F. Coulouvrat
(IJLRDA))
ACI supersonique (N° 00 T 0114 01) (20022004). J.-L. Thomas (coordinateur F.
Coulouvrat (IJLRDA))
Contrat PARABOOM
(AIRBUS/UPMC)
J. L. Thomas (coordinateur scientifique F.
Coulouvrat (IJLRDA))
BQR UPMC recherche 2006, Projet POCA,
J. L. Thomas
PPF LACME de l'UPMC J.-L. Thomas
(coordinateur J-D Pollack (IJLRDA))
•
Perrin B., Réunions de GDR : « Micro et
nanothermique », mars 2004, Boucicaut
•
Jusserand B., Perrin B., 10èmes JMC :
Minicolloque «Phonons
acoustiques
Nanostructures et Cristaux Phononiques »,
2006 Toulouse
•
Perrin B., « Phonons 2007 » juillet 2007, Paris
•
Perrin B., Session thème « Laser ultrasonics »
du World Congress on Ultrasonics septembre
2003, Paris
Ecoles
•
Jusserand B., Perrin B., Ecole de Cargese « Son
et Lumière », octobre 2006, Cargese
•
Thomas J-L., Ecole d'été sur l'acoustique non
linéaire, juin 2007, Oléron
Prix
Lanzillotti Kimura Daniel, a reçu le prix
•
R.W.B. Stephens lors de l'International
Congress on Ultrasonics (Vienne avril 2007)
127
128
Equipe III.2 - Couches minces et nanostructures pour l’optique et l’opto-électronique (J.M. Frigerio,
B. Gallas)
Permanents : Barthou Carlos, CR1 ; Brunet-Bruneau Aline, MC ; Chénot Stéphane, AI ; Clerjaud Bernard, PU CE ; Coolen
Laurent, MC (à partir de septembre 07); Elias Mady, PRCE ; Fave Jean-Louis, CR1 ; Frigerio Jean-Marc, PU1 ; Gallas
Bruno, CR1 ; Maître Agnès, PU2 ; Naud Claude, IR ; Perrière Jacques, DR2 ; Rahbi-Bouanani Rania, MC ; Rivory Josette,
PR émérite ; Roussel Joseph, MC ; Vuye Gérard, IR ; Siozade Laure, MC (mutation janvier 2007) ; Benalloul Paul (MC
bénévole)
Non permanents : Abidi Dorra, doctorante ; Ainsebaa Abdelmalek, doctorant ; Benzerga Ratiba, doctorante ; Bourgeois
Alexis, doctorant ; Chartier Céline, ATER ; Chin-Cheng Kao, doctorant ; Castiglione Patrizia, postdoc ; Latour Gael,
doctorant ; Magnain Caroline, Doctorante ; Moreau Julien, ATER ; Reboud Vincent, ATER ; Romanelli Marco, ATER ;
Saboundji Amar, postdoc ; Simonot Lionel (ATER) ; Stenger Ingrid, doctorant ; Thoury Mathieu, doctorant ; Vion Céline,
doctorante.
Les objectifs de ce projet étaient la mise en forme et
la fonctionnalisation de films minces et nanostructures de
matériaux à propriétés d’usage spécifiques, permettant
l’émission, la modulation, l’amplification ou la détection
de signaux optiques. Les matériaux envisagés ont été des
matériaux complexes ou composites.
• des matériaux organiques dans le cas de
l’électroluminescence, de la modulation électrooptique…,
• des matériaux nanoporeux en vue de diminuer la
constante diélectrique statique (matériaux « low-k »)
pour les couches isolantes dans les circuits intégrés, ou
en vue de fonctionnaliser les pores pour des
applications aux capteurs. L’auto-organisation des
pores permet de travailler sur des objets mieux définis
en terme de taille et de forme des pores, de
connectivité du réseau poreux, susceptibles de jouer le
rôle de matrice-hôte.
• des nanoparticules en matrice permettant d’exalter
certaines propriétés (amplification optique) ou d’en
induire de nouvelles (accordabilité, reconfigurabilité).
Les paramètres à maîtriser sont alors la composition, la
taille et la distribution en taille des nanoparticules, leur
répartition dans la matrice, les interfaces
particule/matrice.
• des matériaux inorganiques émetteurs de lumière…
Une des forces de ce thème est de maîtriser les
moyens de croissance des couches minces soit par voie
physique (pulvérisation cathodique, ablation laser,
évaporation thermique…), soit par voie chimique par le
biais de collaborations bien établies avec des laboratoires
de chimie du campus.
Avec l’arrivée d’Agnès Maître une nouvelle
thématique autour de l’émission d’émetteurs de photons
uniques dans des structures photoniques a émergé. En
parallèle, en concertation avec les différents membres du
projet nous avons redéfini nos objectifs. Les activités du
projet vont donc être recentrées sur les propriétés
optiques de matériaux. Ces milieux pourront être soit
désordonnés (diffusion sur des peintures ou des milieux
biologiques) soit structurés (étude de l’émission de
nanoémetteurs excités optiquement ou électriquement.
1)
Etude des propriétés optiques
matériaux nanocomposites.
Afin d’étudier les propriétés optiques de nanoparticules
de Si nous avons réalisé des films minces de silice
contenant ces nanoparticules. Ces films minces sont
réalisés par évaporation par canon à électrons de SiO
sous atmosphère d’oxygène. L’ajustement des rapports de
pression d’oxygène et de vitesse de croissance permet
d’ajuster la composition du sous-oxyde SiOx (1<x<2).
Ces couches ont été recuites à différentes température,
jusqu’à 1100°C afin d’obtenir la séparation de phase
SiOx → (1- x/2) Si +x/2 SiO2, la phase Si se mettant sous
forme de nanoparticules. La taille des nanoparticules a
été déterminée par microscopie électronique en
transmission. Elle dépend de la composition initiale x et
varie entre 4.5 nm pour x=1 à 1 nm pour x=1.9.
Image MET nanoparticules de Si obtenues après recuit à
1000°C d’une couche mince de SiO. On observe les
franges de réseau des plans {111}.
La cristallinité a été déterminée par spectroscopie Raman
(B. Jusserand) et dépend de la température et de la durée
de recuit. Pour une température de recuit donnée il existe
une fraction cristalline limite qu’on atteint au bout de
deux heures de recuit environ. A 900°C les particules
sont amorphes. A 1000°C on a 45% de fraction cristalline
et à 1100°C on atteint 100% de fraction cristalline.
de
Effet du confinement sur les propriétés optiques de
nanoparticules.
Le confinement quantique des excitons dans des
nanoparticules de semi-conducteur induit une
augmentation de la luminescence et un décalage vers le
bleu de la position de la luminescence par rapport à la
position en énergie du gap du matériau massif. Dans le
cas du Si ce phénomène a été abondamment étudié à la
fois d’un point de vue théorique et expérimental. Le
Gallas Bruno, Rivory Josette, Barthou Carlos, Siozade
Laure, Fisson Serge, Vuye Gérard, Kao Chih-Cheng,
Stenger Ingrid.
Références : [18], [21], [31], [55], [84], [91], [99],
[C24], [C34], [L1]
Synthèse de films minces de silice contenant des
nanoparticules de Si.
129
diélectrique vers 1080 cm-1. La position et la forme de
cette bande d’absorption sont affectées par la sousstoechiométrie et les contraintes. Nous avons mis en
évidence l’existence de sous-oxydes de SiO2 même après
des recuits prolongés à haute température (jusqu’à 10h à
1100°C) et d’une matrice contrainte. En comparant les
résultats obtenus sur des échantillons contenant des
nanoparticules de différentes tailles nous avons conclu
que ces sous-oxydes étaient localisés à l’interface np-Si /
matrice et formaient une couche d’environ 0.5 nm
d’épaisseur. Ces résultats ont été confirmés par des
mesures d’XPS après décapage de la matrice par HF.
Nous avons aussi étudié l’influence des états d’interface
sur l’absorption en bord de gap. Comme l’absorption y
est très faible, cette étude a été menée par des mesures de
spectroscopie de déflexion photothermique. Nous avons
mis en évidence la présence d’une bande d’absorption
sous le gap des nanoparticules. Cette bande d’absorption
a été corrélée à la présence du signal des liaisons
pendantes à l’interface Si / SiO2 par résonance
paramagnétique électronique.
phénomène de confinement quantique doit aussi affecter
les transitions de plus haute énergie. Dans le cas du Si,
ces transitions, appelées points critiques, sont repérées
comme E1, E2 et E’1 par ordre d’énergie croissante. Les
calculs dans ce cas sont compliqués. On admet en général
que le même phénomène de décalage vers les hautes
énergies des points critiques doit être observé. Cependant
très peu de mesures existent afin de corroborer cette
supposition. La composition et la taille des nanoparticules
ont été déterminées à partir de mesures de spectroscopie
de rétrodiffusion Rutherford et de microscopie
électronique en transmission. Il a alors été possible de
calculer la fonction diélectrique des nanoparticules de Si.
Nous n’avons pas observé de décalage de la position des
points critiques en fonction de la taille des nanoparticules
mais plutôt une diminution de l’intensité de la fonction
diélectrique au niveau du point critique E1 et une
augmentation au niveau du point critique E2. L’utilisation
des règles de somme a permis de conclure que l’effet du
confinement quantique sur les points critiques de haute
énergie était de transférer les états de basse énergie vers
ceux de plus haute énergie. Ce transfert a été interprété
comme une manifestation du confinement quantique dans
un système où le confinement est réduit par la présence
d’une couche d’interface et d’une matrice qui n’est pas le
vide.
Fonction diélectrique de nanoparticules de Si de
diamètre de 4.5 nm (noir), 2.2 nm (rouge) et 1 nm (bleu).
La fonction diélectrique du Si polycristallin est indiquée
(vert) ainsi que la position des points critiques dans le Si
(flèches).
Coefficient d’absorption des nanoparticules de Si de 4
nm de diamètre pour différents recuits. On distingue trois
zones d’absorption associées aux transitions interbandes
(I),aux queues d’Urbach (II), aux défauts ponctuels
(liaisons pendantes (III).
Nous avons aussi analysé par ellipsométrie des
nanoparticules de Ge faites au CRMC2 par épitaxie de
germanium sur Si(001) suivie d’une encapsulation par
une couche de Si cristalline. Afin d’avoir accès à la
contribution des points critiques de haute énergie nous
avons décapé de façon sélective la couche
d’encapsulation. Nous avons mis en évidence que les
nanoparticules étaient en fait formées en grande partie
d’un alliage SiGe. Il reste malgré tout un cœur riche en
Ge dont les propriétés électroniques sont différentes du
Ge.
Exacerbation de la luminescence de Er dans SiO2 en
présence de nanoparticules de Si (np-Si).
Cet aspect a été développé dans le cadre de la thèse de
Chih-Cheng Kao et dans le cadre du projet RMNT
Nanoscop. On observe une exacerbation du rendement de
luminescence de l’erbium sous forme d’ions Er3+
dispersés dans la silice en présence de nanoparticules de
Si, et ce, même en excitant en dehors des niveaux de
l’erbium ce qui prouve l’intervention des nanoparticules
de Si dans le processus d’excitation. Des échantillons de
silice dopée Er ont été réalisés avec et sans
nanoparticules de Si et en faisant varier la quantité d’ions
Er3+ par nanoparticule de Si. L’étude des intensités
relatives des bandes d’émission des nanoparticules de Si
et de l’erbium nous a conduit à choisir un modèle de
transfert direct de l’excitation des nanoparticules de Si
vers les ions Er3+, sans doute par un mécanisme de
Forster-Dexter. Nous avons déterminé la section efficace
effective d’excitation de l’Er à partir de mesures de
photoluminescence résolues en temps en étudiant à la fois
le temps de montée de la luminescence et les évolutions
respectives des intensités des bandes de luminescence des
Ces études ont mis en évidence l’importance de
l’environnement des nanoparticules sur l’effet du
confinement quantique sur les propriétés électroniques
dans les systèmes confinés en matrice.
Influence de la microstructure sur les propriétés
optiques de np-Si.
Cette étude s’est déroulée dans le cadre de la thèse
d’Ingrid Stenger. La présence d’une interface sousstœchiométrique a été mise en évidence par
ellipsométrique infrarouge. En effet, dans l’infrarouge les
phonons associés aux modes de vibrations de la liaison
Si-O-Si induisent une absorption visible sur la fonction
130
nanoparticules de Si et des ions Er3+ en fonction de
l’intensité excitatrice. L’augmentation de la section
efficace effective d’excitation est alors de 4 ordres de
grandeur supérieure en présence de nanoparticules de Si
lorsqu’on utilise une longueur d’onde de pompe
correspondant à des niveaux de l’erbium.
minces afin d’expliquer leur structure et microstructure
particulières et de les corréler à leurs propriétés physiques
spécifiques
Films d’oxydes optiquement actifs : Des films
minces d’Y2O3, ZnO ou BaTiO3 dopés terres rares ont
fait l’objet d’études. L’influence de la matrice hôte et des
défauts structuraux sur l’intensité d’émission des terres
rares, la largeur de bande et la durée de vie des niveaux, a
été mise en évidence dans des structures planaires
guidantes basées sur ces matériaux.
Perspectives : Cette thématique ne sera pas développée
comme activité de recherche principale lors du prochain
plan quadriennal, mais évoluera vers l’étude de
structures unidimensionnelles obtenues en croissance.
Ceprojet est détaillé dans les perspectives de l’équipe
« Couches minces et nanostructures hybrides » (II.1)
2)
Films organiques : L’ablation laser de cibles
composites (molécules organiques dans un solvant)
solidifiées par réfrigération a permis de former des films
organiques de composé (anthracène) ou de polymère
(polythiophène). Ces films denses et uniformes
préservent l’intégrité chimique des composés et leurs
propriétés physiques.
Etude des propriétés optiques de
matériaux magnétiques et anisotropes.
Gallas Bruno, Rivory Josette, Vidal Franck, Etgens
Victor
Références : [C28], [C31].
Clusters et agrégats par ablation laser : La
synthèse de nanoparticules par ablation laser (PLD) a été
étudiée selon deux approches. D’une part la formation
d’agrégats de GaAs ou Si de faible taille (< 20 nm) en
phase gazeuse par PLD ns à haute pression (5 à 10 mbar)
a été mise en évidence. D’autre part la PLD avec des
impulsions ultra courte (100 fs) conduit à des films
formés de l’empilement de clusters de taille très variable
dont la formation est reliée aux phénomènes se
produisant lors des interactions laser fs – matière.
Le MnAs est un matériau prometteur en vue d’application
pour l’électronique de spin car il peut être épitaxié sur
GaAs et, dans sa phase α il est ferromagnétique. Il existe
aussi une phase β, non ferromagnétique vers laquelle
transite α-MnAs à 40°C. Le MnAs possède une structure
hexagonale dans sa phase α et orthorhombique dans sa
phase β. Du fait des contraintes accumulées dans les
couches minces épitaxiées sur GaAs, la transition de
phase s’effectue sur une large gamme de température (1040°C) avec co-existence des deux phases sous formes de
domaines homogènes parallèles. L’utilisation de mesures
optiques permettrait (1) de suivre quantitativement la
transition de phase α-β (2) de comprendre le lien entre les
propriétés structurales, électroniques et magnétiques de
ce composé. Cependant, la fonction diélectrique des
différentes phases cristalline de MnAs n’est pas connue.
Nous avons utilisé l’ellipsométrie spectroscopique afin de
déterminer la fonction diélectrique de MnAs dans les
phases α et β en effectuant les mesures à -10°C et 50°C.
Nous avons utilisé une large gamme spectrale : 0.045 eV
– 6.5 eV. La structure de l’échantillon a été déterminée à
partir de mesures de réflectivité X en incidence rasante.
Les deux phases sont métalliques et la conductivité dc
extraite des mesures optiques est en bon accord avec les
mesures de résistivité que l’on trouve dans la littérature.
Par ailleurs la fonction diélectrique des deux phases est
anisotrope. Pour la phase α on observe des transitions
vers 0.3, 3 et 5.5 eV. Pour la phase β, on observe les
transitions vers 3 et 5.5 eV. Cependant, la transition vers
0.3 eV semble être absente ou son intensité est très
fortement réduite. Ces fonctions diélectriques ont été
utilisées afin de suivre la transition de phase α-β en
fonction de la température, en particulier les fractions
respectives des deux phases ont été déterminées.
Films d’oxydes de composition complexe : La
congruence de l’ablation laser permet la formation de
films d’oxydes de composition complexe. Un exemple
typique est le cas de ZrxSn1-xTiO4 qui a été étudié pour
comparaison avec la croissance de films minces ce
matériau par la méthode PED (Pulsed Electron beam
Deposition). Les conditions de croissance conduisant à
des films denses, stœchiométriques et cristallisés ont été
définies. De plus la stabilisation d’une phase tétragonale
par épitaxie sur substrat monocristallin de MgO a été
mise en évidence pour ce matériau orthorhombique à
l’état massif. Les propriétés optiques des films montrent
toute l’importance de la qualité cristalline sur le gap et
l’indice des films.
Nouvelles phases d’oxydes en couches minces :
Par ablation laser, la croissance s’effectue dans des
conditions hors équilibre thermodynamique, et sous des
pressions d’oxygène très variables. Dès lors il est
possible de moduler l’incorporation d’oxygène dans les
films. Dans le cas d’oxydes comprenant un cation à
valence mixte (TiO2, SrTiO3, ..) des oxydes fortement
sous stœchiométriques peuvent être formés. Ces
nouvelles phases d’oxydes en couches minces sont
stables, cristallisées souvent épitaxiées sur substrats
monocristallins et présentent des propriétés de transport
tout à fait inhabituelles. Des films isolants, conducteurs
ou semi conducteurs d’un même oxyde peuvent ainsi être
formés selon les conditions de croissance.
Perspectives : Ces thématiques seront développées lors
du prochain plan quadriennal dans l’équipe « Croissance
et propriétés de systèmes hybrides en couches minces ».
3)
Perspectives : Les développements futurs dans certains
domaines
comme
l’électronique
transparente,
l’électronique de spin, l’information quantique, l’énergie
photovoltaïque… sont et seront basés sur des matériaux
en couches minces présentant des propriétés d’usage
spécifiques adaptées à ces divers domaines. Dans ce
cadre, les films d’oxydes sont et seront l’objet de
nombreux travaux visant à leur conférer de nouvelles
fonctionnalités. En effet il apparait possible d’exalter
certaines propriétés physiques ou d’en induire de
nouvelles dans des oxydes en couches minces par :
Couches minces d’oxydes : croissance par
PLD et propriétés.
Abdelouahdi Karima, Gallas Bruno, Perrière Jacques,
Sbai Nadia
Références : [5], [8], [9], [24], [37], [42], [47], [48],
[51], [71], [82], [83], [94], [97], [C23], [L2], [L3]
Ce thème concerne les couches minces, leur
croissance et leurs propriétés. Le but étant d’atteindre une
meilleure compréhension de la croissance des films
131
(i) Le couplage de mesures ellipsométriques
infrarouge et de diffusion de rayons X aux petits angles
(SAXS) a permis de mettre à jour le rôle joué par
l’hygrométrie de l’enceinte de dépôt sur l’autoorganisation des micelles organiques et donc sur la
structuration des films […]. Ce paramètre externe était
jusque là totalement négligé par les différentes équipes de
recherche travaillant sur la formation de ces films autoorganisés, ce qui empêchait une bonne reproductibilité de
leur structuration. Seule l’évolution des phases
micellaires en fonction de la proportion de tensio-actif
initialement présente dans la solution avait été clairement
montrée.
-dopage par certains éléments (ions terres rares, métaux
de transition..) en vue d’induire des propriétés
fonctionnelles spécifiques.
-contrôle de la stœchiométrie en oxygène durant la
croissance, pour induire des natures et des
concentrations de porteurs contrôlées et par conséquent
des propriétés de transport particulières.
-stabilisation de phase d’oxydes métastables par épitaxie
sur substrats monocristallins permettant d’étudier des
phases non synthétisables en matériau massif.
La méthode de croissance envisagée dans tous ces
travaux sera l’ablation laser, particulièrement bien
adaptée du fait de ses propriétés spécifiques, à la
formation de films d’oxydes de composition complexe, au
contrôle de la stœchiométrie en oxygène et leur épitaxie
sur des substrats monocristallins bien choisis. Les
matériaux envisagés sont pour la plupart des oxydes à
grand gap (Ga2O3, MgIn2O4, …), ou des oxydes plus
classiques (TiO2 par exemple) dont le dopage par des
éléments bien choisis peut être pertinent dans les
applications projetés.
(ii)
Le
développement
d’un
dispositif
interférentiel, pour suivre in situ la variation d’épaisseur
du film au cours de sa formation, couplé à des mesures de
SAXS, a permis de mettre en évidence […] l’existence
d’un état modulable (« modulable stead state ») pendant
lequel le réseau de silice n’a pas encore gélifié et pendant
lequel des réarrangements micellaires sont encore
possibles.
En collaboration avec l’équipe de J.P. Boilot du
LPMC, nous avons étudié ensuite la réactivité et la
stabilité à l’air de ces films auto-organisés de silice une
fois leur porosité libérée […]. Ce travail a clairement mis
en évidence pour la première fois la très forte réactivité à
l’air de ces films, pouvant provoquer une pollution
complète ou partielle des pores et empêcher une postfonctionnalisation correcte. De plus, ce travail a pu mettre
en évidence l’utilisation abusive et erronée, dans un bon
nombre de productions scientifiques, de l’indice de
réfraction visible comme indicateur de la porosité.
Les études envisagées concernent donc la
croissance par ablation laser et les propriétés physiques
de nouvelles phases d’oxydes en couches minces. Le but
étant de corréler les propriétés physiques particulières de
ces films à leurs caractéristiques morpho-structurales.
Ces projets s’inscrivent dans le cadre de collaborations
déjà bien établies avec l’ENSCP (P. Barboux, L. Binet),
le LRCS Amiens (A. Rougier), le GREMI Orléans (C.
Leborgne, E. Millon) et l’INESS Strasbourg (A. Slaoui) et
faisant l’objet de projets ANR soumis pour financement.
4)
La possibilité de préparer des matériaux
mésoporeux sous forme de films ouvre de larges
perspectives d’application ; en revanche, les méthodes de
caractérisation doivent s’adapter à la faible quantité de
matière disponible. L’intérêt de ces matériaux résidant
dans leur porosité élevée, il est donc particulièrement
important de connaître la fraction volumique de pores,
mais aussi leur distribution en taille, la surface spécifique
accessible, et de caractériser la topologie du réseau
poreux que l’on pourra faire varier suivant les
applications envisagées. Les techniques mettant en jeu la
physisorption isotherme d’un gaz tel que l’azote sont en
général bien adaptées pour l’étude des matériaux
microporeux et mésoporeux. Cependant la méthode
conventionnelle de mesure volumétrique de la quantité de
gaz adsorbé, utilisée avec succès dans le cas des poudres
et des matériaux massifs, est difficilement applicable au
cas des couches minces du fait de la très faible quantité
de matériau déposé.
Oxydes poreux en couches minces
Brunet-Bruneau A., Bourgeois A., Rivory J
Références : [1], [10], [36], [46], [49], [57], [C2], [C4],
[C5], [C13], [C20], [L4]
Nous nous sommes intéressés à la
mircostructures de couches minces de silice mésoporeuse
(taille de pores comprise entre 2 et 50 nm) élaborées par
une technique sol-gel de chimie douce, présentant une
structure poreuse dont la morphologie et la topologie
peuvent être ajustées. Leur synthèse est basée sur le
principe de l’auto-assemblage d’une phase organique
micellaire cimentée par la polymérisation d’une phase
inorganique à basse température (procédé sol-gel) autour
de ces phases organiques. La partie organique est ensuite
éliminée, par calcination (traitement thermique haute
température) ou par lavages, libérant ainsi la porosité.
Ces matériaux à porosité ordonnée, qui
présentent des mésopores dont il est possible de calibrer
la taille et de choisir la forme, permettent d’obtenir des
surfaces spécifiques très importantes (~1000 m2/g). Ces
surfaces spécifiques sont équivalentes à celles obtenues
pour des solides microporeux, tout en étant plus
facilement accessibles compte tenu de la plus grande
taille des pores. Ces nouveaux matériaux présentent donc
un très grand intérêt du point de vue des applications :
domaines de l'environnement (détecteurs de gaz
polluants, catalyseurs), de la biologie, de la
microélectronique
et
de
la
chimie.
Leur
fonctionnalisation est actuellement un enjeu important.
L’analyse détaillée de la porosité des couches
minces nécessite donc la mise au point de dispositifs
expérimentaux et de conditions opératoires spécifiques.
C’est dans cet objectif que nous avons développé la
« Porosimétrie Ellipsométrique », qui couple des mesures
d’ellipsométrie spectroscopique visible à l’adsorption
isotherme de gaz. Cette méthode, qui venait d’être
proposée dans la littérature scientifique et qui n’était alors
pratiquée que dans deux laboratoires dans le monde,
demandait à être validée et développée. C’est dans le
cadre de la thèse d’Alexis Bourgeois intitulée
« Adsorption et condensation de gaz dans des couches
minces diélectriques mésoporeuses suivies par
ellipsométrie spectroscopique » (2002-2005) que nous
avons abordé l’étude de la structure poreuse de ces
couches minces mésoporeuses par Porosimétrie
Ellipsométrique. Le dispositif expérimental a été financé
Nous avons étudié in situ la formation de ces
films d’oxydes hybrides auto-organisés mésostructurés en
collaboration avec l’équipe « matériaux hybrides » de
Clément Sanchez du LCMC :
132
L’architecture des dispositifs et leur modélisation
sont un second point important. Les diodes
électroluminescentes organiques nécessitent une injection
bipolaire facile et équilibrée, ainsi que des propriétés de
transport convenables. Pour cela des couches spécialisées
multiples sont déposées par spin coating ou évaporation
thermique et assurent des flux de porteurs égaux, ainsi
que leur recombinaison optimale. L’étude du
comportement transitoire électrique et émissif des
dispositifs et la modélisation concomitante a pour but
d’établir une carte du champ électrique interne et des
accumulations de porteurs qui peuvent s’établir aux
interfaces organique-organique internes ou par suite de
piégeage en volume. Un des buts de l'optimisation des
diodes est de les faire fonctionner à une tension
suffisamment basse et avec un courant suffisamment
faible pour que leur commande puisse être assurée par un
transistor à effet de champ lui aussi entièrement
organique. C'est précisément le but de l'action ANR
blanche ORGAPIX qui se propose d’aboutir à la
réalisation d’une structure de pixel émissif entièrement
organique, en associant, dans une même structure et avec
des méthodologies de dépôts similaires, des transistors
organiques OTFT et des diodes électroluminescentes
organiques. Le point délicat du projet tient à la réalisation
des transistors où le diélectrique et le semiconducteur sont
tous les deux de nature organique, et en particulier à
l'obtention de tensions de seuil basses et bien
reproductibles et peu dispersées. Ce projet est mené en
collaboration avec l'ITODYS, le laboratoire LPICM de
l'Ecole Polytechnique et le CEA.
Deux études complémentaires sont présents dans
un troisième aspect du thème : l'optoélectronique hybride
associant semiconducteurs organiques et inorganiques.
La première étude (thèse de D. Abidi) cherche à
incorporer des molécules conjuguées dans la matrice
monocristalline du silicium poreux pour contrôler les
transferts d'excitation ou de porteurs de charge à
l'interface entre ces deux milieux. La caractérisation de la
matrice fait appel à la diffusion Raman et à
l'ellipsométrie. La spectroscopie UV-visible résolue en
temps renseigne sur les transferts d'énergie entre le
silicium et les molécules organiques déposées à la surface
des pores..
Inversement l'utilisation de quantum dots dans
une diode électroluminescente organique est un autre
aspect abordé dans la thèse de A. Ainsebaa. Ces QDs
semblent présenter une meilleure stabilité, une bonne
efficacité radiative et une bande d'émission plus étroite
que les chromophores organiques, et se prêtent à
l'incorporation dans une encre rendue ainsi
semiconductrice. Leur dilution dans une matrice isolante
permet la fabrication de diodes organiques où épaisseur et
concentration de la couche active sont contrôlables. Un
des buts est d'arriver à l'excitation électrique d'une
collection de QDs (CdSe pour l'instant) nettement séparés
les uns des autres, voire d'atteindre celle d'un objet
unique. Ce thème est relié aux travaux d'Agnès Maître et
Céline Vion de la même équipe.
dans la cadre d’une ACI Nanosciences-Nanotechnologie
intitulée « « Films mésostructurés fonctionnels : nanocapteurs spécifiques pour les gaz aromatiques » (20022005) en collaboration avec l’équipe de Clément Sanchez
du LCMC.
Des cycles d’adsorption/désorption de différentes
vapeurs (eau, alcool, alcane) à température ambiante dans
ces films minces de silice mésoporeuse (diamètre des
pores proche de 3 nm) ont donc été suivis par
Ellipsométrie Spectroscopique. Les variations de l’indice
de réfraction et de l’épaisseur mesurées par ellipsométrie
au cours de ces cycles ont permis d’accéder aux
propriétés structurales du réseau poreux […] (dimension
des pores, volume poreux, connectivité, épaisseur et
rugosité de parois, caractère hydrophile et hydrophobe)
ainsi qu’aux propriétés mécaniques (constantes
élastiques) de la matrice de silice [… ].
5)
Couches
minces
et
optoélectroniques organiques
dispositifs
Abidi Dorra, Ainsebaa Abdelmalek, Fave Jean-Louis,
Roussel Joseph, Saboundji Ama.
Références : [9], [16], [23], [26], [37], [44], [64], [79],
[80]
L’optoélectronique des matériaux organiques en phase
condensée, ou plus exactement celle des films de
semiconducteurs organiques – polymères ou petites
molécules conjugués – est au cœur de nos objectifs. Cette
thématique est par essence multidisciplinaire, puisqu’elle
nécessite la fabrication de dispositifs, leur caractérisation
structurale, leur étude spectroscopique et électrique, et est
abordée en faisant largement appel à des collaborations
internes ou externes dont certaines sont déjà anciennes et
bien établies.
Le bâti de fabrication de couches minces sous
atmosphère contrôlée a été fonctionnel au début du
contrat quadriennal qui s’achève. Pendant le déroulement
de ce dernier nous avons fait évoluer le banc de mesure
de transitoires, entre autres pour permettre l’étude des
mobilités de porteurs par temps de vol dans une gamme
étendue de températures.
Un premier point concerne l’évaluation de
matériaux nouveaux. Ceux-ci peuvent être des composés
de coordination dérivés du bien connu quinolate AlQ3
(collaboration avec l’ITODYS – Paris 7). Les
modifications concernent aussi bien l’ajout de
groupements latéraux de type thiophène, dans le but de
contrôler l’injection des porteurs, que de l’ion central ;
l’aluminium trivalent peut être remplacé par du lithium
ou du zinc, respectivement mono ou divalent. La mesure
des performances des diodes électroluminescentes
fabriquées avec ces matériaux est l’un des objets de la
thèse d’A. Ainsebaa. Avec le Laboratoire de Chimie des
Polymères (LCP – Paris 6), le but était l’exaltation des
propriétés ONL ou d’émission par greffage de groupes
donneurs et accepteurs sur des composés dérivés de la
pyridine bi- ou trisubstitué, en particulier des molécules
discotiques conduisant à des structures colonnaires. Enfin
les chimistes de Monastir ont proposé une approche
originale permettant d’obtenir des polymères composés
de segments conjugués identiques faiblement couplés
entre eux. Le but est de conserver les propriétés optiques
bien définies des oligomères (du PPV dans ce cas) en
améliorant la processabilité et en évitant la cristallisation
de la couche. Le confinement déplace l'émission de
fluorescence vers le bleu, ce qui en fait l'intérêt pour
l'électroluminescence..
Perspectives : La plupart des travaux cités précédemment
seront continués. L'effort vers les matériaux hybrides,
surtout l'incorporation de Quantum Dots, sera accentué,
en diversifiant leur nature et en le coordonnant avec ce
qui fait par ailleurs dans l'équipe.
Du point de vue matériau, la collaboration avec
les chimistes apporte actuellement un lot de matériaux
originaux, des molécules conjuguées à propriétés
cristaux liquides de type discotiques ou smectiques. On
133
en espère des propriétés de transport améliorées
(voisines du cm2V-1s-1) et uni ou bidimensionnelles, ce
que nous testerons en mesurant la mobilité par temps de
vol. Ultérieurement ces molécules seront utilisées dans
des transistors à effet de champ.
Luminescence de nano-cristaux de ZnO et de GaN de
différentes formes, matériaux émetteurs dans la région
bleue-proche UV :
Références :[32],[43], [61], [63], [73], [78], [85], [87],
[92], [93], [C19], [C26]
Nous avons ajouté à notre banc de mesures
transitoires la possibilité de synchroniser tirs laser et
excitation électrique. Outre les mesures de temps de vol,
l'application de cette technique permet l'excitation du
matériau pendant le fonctionnement de la diode
électroluminescente et d'étudier la perturbation apportée
par les nouveaux porteurs crées. La modélisation
correspondante sera entreprise.
Les objectifs de cette étude consistent en la
préparation de nano-aiguilles de semi-conducteurs à
grand gap tels que ZnO etAlGaN dopés ou non dopés,
d’étudier leurs propriétés optiques et électriques en
particulier les émissions laser dans l’UV et la réalisation
de lasers UV et de diodes laser. Ce projet s’appuie sur
une collaboration avec une équipe russe qui prépare les
échantillons, notre intervention se situant au niveau de
l’étude des propriétés optiques. Ce projet bénéficie du
soutien de l’OTAN à travers un « Collaborative Linkage
Grant », mai 2005-mai 2007, dont le titre est : « Large
band gap ZnO and AlGaN semiconductor ultraviolet
photoelectronics ». Nos collègues ont réussi à préparer
des aiguilles de ZnO verticales sur substrat Si de 10 µm
de long et 0.1 à 1 µm de diamètre. Des émissions lasers
ont été observées selon l’axe des aiguilles ou
perpendiculaire à cet axe en fonction de la polarisation de
la lumière excitatrice. En vue de la réalisation de diodes,
des aiguilles de ZnO dopé In ou Ga ont été préparées et
sont en cours d’étude.
6)
Luminescence de semiconducteurs
grand gap dopés ou non dopés.
à
Barthou Carlos, Benalloul Paul, Frigerio Jean-Marc.
Propriétés radiatives de luminophores soufrés dopés
avec des ions terres rares, sous forme de poudre ou de
couche mince.
Références : [12], [17], [22], [33], [38], [56],
[59], [66], [74], [76], [C9]
Pour des applications dans le domaine de la
visualisation par écrans plats ou les sources de lumière
blanche tout-solide.
Il s’agissait, plus précisément
d’étudier les propriétés des luminophores SrGa2S4 :Eu2+
et BaAl2S4 :Eu2+. Cette activité a fait l’objet de la thèse
de Céline Chartier soutenue en 2003 et s’est développée
en collaboration avec l’Institut de Physique de Bakou de
l’Académie des Sciences d’Azerbaïdjan, collaboration
soutenue par un contrat OTAN « Collaborative Linkage
Grant », ref 97350, couvrant la période janvier 2003janvier 2005, ainsi que par une bourse INTAS Young
Scientist Fellowship, ref 03-55-1051, assurant le séjour
de deux fois quatre mois d’un jeune chercheur
azerbaïdjanais en 2004 et 2005. Le titre de ces projets
était « Ternary Phosphors for Visualisation, Lighting and
Optical Telecommunication ». Ajoutons enfin que nous
avons organisé en septembre 2004, avec le soutien
financier de l’Ambassade de France à Bakou un
séminaire intitulé « Light in Nano-Size Solids » avec
l’intervention de quatre physiciens français dont trois de
l’Institut.
Nous considérons que les propriétés fondamentales de ses
luminophores sont pour l’essentiel comprises et nous
avons décidé de mettre un terme à cette étude.
Perspectives : La thématique « nano-aiguilles de ZnO et
AlGaN » sera poursuivie comme activité secondaire de
l’équipe qui focalisera son activité sur « l’émission dans
un cristal photonique »
7)
Impuretés et défauts
Bouanani Rahbi Rania, Clerjaud Bernard, Pajot
Bernard, Siozade Laure.
Références [11], [15], [34], [39], [45], [52], [65], [100],
[C22]
Matériaux à conversion de spin.
Ces matériaux sont des matériaux en général organiques
dans lesquels un ion de métal de transition (Fe2+ en
général) a un état bas spin fondamental et un état haut
spin d’énergie légèrement supérieure. À basses
températures les composés sont dans un état bas spin et
ils basculent vers un état haut spin lorsqu’on augmente la
température. La conversion présente éventuellement un
hystérésis. Nous avons étudié théoriquement ce
phénomène pour un ion d6 tel l’ion Fe2+. Pour expliquer
ce phénomène, nous avons développé une théorie de
champ moyen qui explique que la transition de spin est
due à la grande relaxation de réseau accompagnant la
promotion de deux électrons de l’orbitale t2 à l’orbitale e.
Notre travail explique la répartition des ions entre les
états bas spin et haut spin, le changement de volume des
composés, la variation de l’entropie, la variation de la
chaleur spécifique ainsi que la variation de la
susceptibilité magnétique avec la température. Notre
modèle permet aussi d’obtenir la température critique
ainsi que sa variation avec le champ magnétique appliqué
en accord avec l’expérience. Il faut noter qu’une
expression purement phénoménologique de la proportion
d’ions dans l‘état haut spin était couramment utilisée dans
la littérature. Notre étude donne une base physique à cette
expression phénoménologique ainsi que la signification
physique des paramètres qu’elle contient.
Luminescence de l’ion Er3+ dans des verres préparés
par la méthode sol-gel en vue d’applications dans les
télécommunications.
Références : [14], [68], [86], [98], [C2], [C8], [C10],
[C11], [C12], [C16]
Cette activité s’est développée en collaboration
avec et en soutien d’une équipe vietnamienne de Hanoi
qui préparait des échantillons et travaillait sur ce sujet
faisant partie d’un projet national. Les années
précédentes, cette activité bénéficiait d’une collaboration
bilatérale CNRS-Académie des Sciences du Vietnam.
Notre activité, comme d’ailleurs celle de nos collègues
vietnamiens s’orientant vers les nano-cristaux colloïdaux
II-VI, nous avons décidé de mettre un terme à cette étude.
Perspectives : L’inclusion du couplage spin-orbite dans
le modèle pourrait peut-être permettre d’expliquer les
134
ponctuels sont responsables des problèmes rencontrés
lors de l’élaboration de dispositifs à bases de nitrures IIIV dilués. Nous nous sommes intéressés au problème des
défauts ponctuels dans ces matériaux. L’azote, à cause de
sa forte propension à créer des liaisons multiples avec les
espèces auxquelles il se lie, les défauts présents dans les
nitrures dilués sont très différents de ceux existants dans
les matériaux III-V sans azote. Nous avons identifié le
complexe azote-carbone dans GaAsN et GaPN. Ce
complexe est aligné selon un axe d’ordre 4 du cristal ; le
carbone et l’azote sont liés par une triple liaison. L’entité
carbone-hydrogène est située dans un site interstitiel et
est liée au réseau cristallin par une liaison Ga-C à une
extrémité et par une liaison Ga-N de l’autre.
transitions en plusieurs étapes qui sont observées dans
certains composés.
Effet de l’hydrogène sur les composés ferromagnétiques
GaMnAs et GaMnP
Pour une concentration de manganèse de
quelques pour cent, ces matériaux sont ferromagnétiques
en dessous de la température de Curie. Le
ferromagnétisme résulte d’une interaction entre spins des
manganèses pilotée par les trous. Les trous sont eux
mêmes crées par les manganèses que sont des accepteurs
dont les niveaux sont respectivement situés à 0, 11 et 0,39
eV au dessus de la bande de valence dans GaAs et GaP. Il
est maintenant bien connu que l’hydrogène neutralise les
accepteurs dans les semi-conducteurs. On peut donc
envisager de faire varier les propriétés magnétiques des
couches en y introduisant de l’hydrogène par exemple par
diffusion d’hydrogène atomique.
Nous avons également identifie le complexe bore-azote.
Ce complexe a la particularité de se réorienter entre ses
configurations énergétiquement équivalentes même à la
température de l’hélium liquide. Il est probable que cette
réorientation s’effectue par effet tunnel.
Dans GaMnAs, nous avons montré qu’effectivement
l’hydrogène se lie à l’un des arsenics plus proche voisin
d’un atome de manganèse et neutralise ce dernier. En
augmentant la concentration d’hydrogène, on abaisse la
température de Curie jusqu’à obtenir la suppression du
ferromagnétisme lorsque la concentration en hydrogène
est proche de celle de manganèse ; l’échantillon est alors
paramagnétique. En contrôlant la concentration
d’hydrogène, on peut donc aussi contrôler la
concentration de trous et ainsi ajuster la température de
Curie. Cette opération est réversible, c’est-à-dire qu’en
chauffant modérément l’échantillon de façon à ne pas
créer de défauts, on chasse l’hydrogène et on récupère les
propriétés magnétiques originelles.
Perspectives : Dans le cadre d’un projet INTAS
coordonné par l’INSP, nous allons étudier la faisabilité
de cellules solaires tandem constituées d’une cellule
silicium couplée à une cellule GaInPN ayant une bande
interdite de 1,7 eV et en accord de maille avec la cellule
silicium.
Effets isotopiques de S+ et Se+ dans le silicium.
Nous avons observé des effets, à première vue
surprenants, dans l’étude de la transition électronique
1s(A1)→1s(T2) des donneurs doubles S et Se une fois
ionisé dans le silicium. On observe que la fréquence de la
transition croit avec la masse de l’isotope du chalcogène,
alors qu’elle diminue avec la masse des isotopes du
silicium.
Dans GaMnP, le niveau accepteur du
manganèse étant beaucoup plus profond que dans
GaMnAs, la croyance est que l’hydrogène ne peut pas
neutraliser le manganèse dans ce matériau. En effet le
niveau au delà duquel, l’hydrogène n’est plus dans l‘état
H+ est un peu plus bas que le niveau accepteur du
manganèse. Mn- et H+ ne peuvent donc, au premier
abord, coexister pour former des complexes « Mn-H ».
Cet argument, qui suppose des fonctions de Fermi en
formes de marches, est vrai à basse température, mais pas
totalement pertinent à la température ou les complexes se
forment. Nous avons montré que, même dans des
échantillons très dilués en manganèse, l’introduction
d’hydrogène permettait la formation de complexes
manganèse-hydrogène électriquement neutres. Dans les
matériaux à concentration en manganèse plus forte, il se
forme une bande liée au manganèse dont le minimum est
plus bas dans la bande interdite que le niveau accepteur
du manganèse et il est alors possible de neutraliser le
manganèse par l’hydrogène plus facilement et en plus
grand pourcentage. On peut donc aussi contrôler les
propriétés magnétiques du GaMnP comme c’est le cas
pour GaMnAs.
Nous avons développé un modèle qui explique
quantitativement ces faits. L’abaissement de la fréquence
de la transition lorsque la masse du silicium augmente est
dû à un durcissement de la liaison lorsque le donneur est
dans un état excité, à cause de la plus grande
délocalisation de l’électron lié au donneur. Cet effet
devrait, en première approximation, aussi entraîner un
accroissement de la fréquence de la transition lorsque la
masse du chalcogène augmente. Cependant, un couplage
vibronique entre l’état excité 1s(T2) et des modes de
vibration de symétrie T2 peut être responsable d’une
inversion de cette tendance. Nous avons quantitativement
montré que c’était le cas. Ce couplage vibronique
explique également d’autres faits rapportés dans la
littérature et inexpliqués jusqu’alors : i) l’écart entre
l’énergie de l’état excité 1s(T2) à la théorie de la masse
effective, qui est égal à l’énergie Jahn-Teller liée au
couplage vibronique susmentionné, ii) la réduction de
l’effet d’une contrainte uniaxiale appliquée sur l’état
excité 1s(T2).
Complexe Bore-Soufre-Hydrogène dans GaAs
Perspectives : Le LPN étudie la réalisation de structures
hybrides ferromagnétique (GaMnAs) / semiconducteur
(GaMnAs hydrogéné).
La neutralisation des donneurs tel le soufre dans GaAs est
un phénomène maintenant bien connu et bien compris :
l’hydrogène se lie en position anti-liante à un des atomes
de gallium premier voisin du soufre. Nous avons montré
que la situation est différente si l’échantillon contient, en
plus de donneurs soufre un peu de bore. Le bore (colonne
III de la classification périodique) se substitue au gallium
dans GaAs. La liaison bore-soufre est une liaison qui est
forte. Afin de minimiser l’énergie libre, les donneurs
soufre s’apparient systématiquement à des atomes de
bore. Pour neutraliser les donneurs, l’hydrogène vient
Complexes liés à l’azote dans GaAs et GaP.
L’introduction d’un peu d’azote (de l’ordre du pour cent)
dans GaAs et GaP modifie profondément les propriétés
des matériaux en réduisant fortement la largeur de la
bande interdite et le paramètre de maille du matériau.
Beaucoup d’idées de dispositifs électroniques ou
optoélectroniques utilisant ces nitrures III-V dilués ont
été émises, mais, à ce jour, peu de réalisations ont été
fructueuses. Les défauts, qu’ils soient étendus ou
135
Durant cette première année, l’équipe a simulé des
structures photoniques, étudié des cristaux photoniques à
trois dimensions (opales), étudié l’émission de
nanocristaux à proximité de surfaces diélectriques.
alors se lier au bore de la « paire » bore-soufre, toujours
pour minimiser l’énergie libre du cristal.
8)
Emission dans un cristal photonique
Modélisation de structures photoniques diélectriques à
deux dimensions
Agnès Maître, Carlos Barthou, Paul Bénalloul, Laurent
Coolen (à partir de septembre 07), Jean-Marc Frigerio,
Marco Romanelli, Céline Vion
Références : [54], [95], [C14], [C24], [C27], [C33],
[C35]
En collaboration avec l’équipe de Françoise Lozes
(LAAS, Toulouse) nous avons simulé des cristaux
photoniques membranaires diélectriques en nitrure. Le
facteur de qualité attendu à 800nm est de plusieurs
centaines. Les simulations ont été réalisées à l’INSP en
utilisant le logiciel de Finite Domain Time Difference
(FDTD) développe au MIT. Ces simulations qui
continuent à être développées, ont permis une première
réalisation expérimentale en juillet 07 au LAAS durant la
visite à Toulouse de Céline Vion. Après avoir testé et
optimisé ces structures, il s’agira d’y inclure des
nanocristaux colloïdaux.
L’équipe étudie le couplage de nanocristaux semiconducteurs individuels à des cristaux photoniques. Les
propriétés d’émission de ces points quantiques sont
étudiées et optimisées à des fins d’optique quantique.
Cette activité a débuté en début 2006 avec l’arrivée
d’Agnès Maître à l’INSP. Autour de cette nouvelle
thématique
plusieurs
permanents
de
cultures
complémentaires se sont regroupés : Carlos Barthou, Paul
Bénalloul, Jean-Marc Frigerio avaient travaillé jusqu’ici
sur la luminescence et les couches minces alors que
l’activité d’Agnès Maître portait l’optique quantique dans
des oscillateurs paramétriques optiques. Il s’agit d’une
reconversion thématique importante pour l’ensemble des
membres de l’équipe. En attendant que les crédits
nécessaires à la réalisation de cette nouvelle expérience
puissent être obtenus, l’équipe s’est attachée à développer
et utiliser des outils de modélisation (« modélisation de
structures photoniques »), à acquérir la maîtrise d’un
certain nombre de techniques expérimentales. Grâce à
différentes coopérations les premières expériences ont pu
être réalisées (« caractérisation optique des opales » et
« luminescence de nanocristaux à proximités de surfaces
métalliques »). Les crédits obtenus récemment (INSP,
Ministère, Université, C’Nano Ile de France) ont permis
d’acquérir le matériel et l’expérience devrait être montée
d’ici fin 2007.
Caractérisation optique d’opales
Sur le plan expérimental, l’équipe a pu profiter des
collaborations existante de Carlos Barthou et Paul
Bénalloul avec une équipe Vietnamienne de Hanoi
(Pham THu Nga) et une équipe Russe de Chergonolovka
(Alexander Grusintsev) pour obtenir des échantillons
d’opales synthétiques. Ces cristaux photoniques à trois
dimensions résultent de l’auto assemblage de solutions
colloïdale de billes de silice. Par la relative simplicité de
leur synthèse, ces opales présentent une alternative
intéressante aux cristaux photoniques obtenus par
lithographie électronique dans des salles blanches de
premier cercle.
Les opales sont obtenues soit par évaporation verticale
contrôlée et les opales sont alors déposées en couches
minces (1 à 100 μm) sur un substrat, soit par
sédimentation d’une solution concentrée de billes de
silice et permettent d’obtenir des opales épaisses
(quelques mm). Depuis peu l’équipe a commencé une
collaboration avec un groupe de Bordeaux du CRPP
(Serge Ravaine). Leurs opales sont obtenues par dépôts
successifs de couches de billes (méthode de Langmuir
Blodgett) dont le nombre peut être contrôlé précisément.
Tous ces opales ont été caractérisées par des mesures de
réflectivité permettant de quantifier la qualité de l’opale.
Des mesures de luminescence ont également été
effectuées afin de s’assurer que les opales ne luminescent
pas à la longueur d’onde d’émission des nanocristaux qui
seront introduits dans l’opale.
L’équipe commence actuellement à infiltrer les opales
avec les solutions colloïdales de nanocristaux afin
d’étudier la modification de l’émission spontanée de ces
émetteurs. Les solutions sont pour l’instant concentrées
en nanocristaux car les effets attendus sont plus
importants. Dans un deuxième temps, les solutions de
nanocristaux seront suffisamment diluées pour pouvoir
travailler à l’échelle individuelle.
Ces études de luminescence et de réflectivité ont été
effectuées à l’institut des NanoSciences de Paris sur les
dispositifs expérimentaux existant avant la constitution de
l’équipe.
L’équipe développe des sources composites couplant des
nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux à des
nanostructures diélectriques (cristaux photoniques) ou
métalliques.
Les nanoémetteurs envisagés sont des nanocristaux en
solution colloïdale tels que les nanocristaux de type
Cdse/Zns. Ces nanocristaux présentent l’avantage d’avoir
une grande efficacité quantique, de fonctionner à
température ambiante, d’être très résistants au
photoblanchiment et de pouvoir aisément être
fonctionnalisés. Dans un milieu non confiné optiquement,
à température ambiante, ces nanocristaux sont
d’excellents émetteurs de photons uniques. A des
températures cryogéniques, il a été démontré que le
temps de cohérence de leur émission était supérieur à
200ps, mais il n’a pas été possible d’effectuer la mesure
de la cohérence à des échelles de temps plus longues.
L’émission de ces nanoémetteurs aussi bien à l’échelle
individuelle qu’à l’échelle collective doit être améliorée
une fois insérés dans des cristaux photoniques en tirant
partie du confinement optique. En effet, la cavité
photonique permet d’améliorer l’efficacité de collection
en augmentant non seulement la directivité de l’émission
mais aussi en accélérant le processus d’émission
spontanée (effet Purcell). A des températures
cryogéniques, une plus grande efficacité de ces sources
de photons uniques devrait permettre de mesurer la
cohérence de l’émission d’un nanocristal individuel à des
échelles de temps supérieures ce qui a pu être réalisé
jusqu’ici.
Modification de l’émission spontanée de nanocristaux à
proximité de surfaces métalliques
Depuis mi 2006, l’équipe s’intéresse à la modification de
l’émission spontanée de nanocristaux individuels
lorsqu’ils sont placés à proximité de surfaces métalliques.
136
Les échantillons comportent une couche mince d’or, sur
laquelle est déposée une couche de silice dont l’épaisseur
peut varier entre 30 et 300nm. Les nanocristaux sont
dispersés sur la silice à l’échelle individuelle et se situent
ainsi suivant les échantillons à différentes distances de la
surface métallique. Ils sont recouverts d’une couche
épaisse de PMMA dont l’indice est voisin de celui de la
silice afin que seule l’interface métallique induise des
modifications dans l’émission. L’équipe a mis en
évidence théoriquement et expérimentalement une
diminution du temps de vie radiatif d’un facteur 6 (par
rapport au temps de vie dans un milieu homogène). Elle a
aussi démontré le couplage du champ émis par les
nanocristaux aux plasmons de surface de l’or.
Actuellement les études portent sur la polarisation du
champ émis afin d’en déduire l’orientation du nanocristal.
Des mesures d’imagerie défocalisée en cours devraient
aussi donner des informations sur le nanocristal et son
orientation. Ces expériences ont été réalisées au
laboratoire Kastler Brossel en coopération avec l’équipe
de Jean-Pierre Hermier (Laboratoire Kastler Brossel et
Gemac ; Versailles) avec le dispositif expérimental de
cette équipe.
Références : [2], [3], [13], [27], [28], [29], [60], [62],
[69], [70], [72], [75], [77], [89], [90], [96], [101], [L8],
[L9], [L10], [C18], [C29], [C32]
Les recherches du groupe sont centrées sur
l’étude des œuvres d’art, leur restauration et leur
conservation. Elles portent sur l’identification
expérimentale des matériaux de l’art ainsi que des
techniques artistiques, par des méthodes optiques
innovantes, non-destructives, sans contact, portables et
donnant des résultats en temps réel.
En parallèle, une recherche théorique
originale portant sur la modélisation de l’aspect visuel
des œuvres d’art est développée, qui fait appel à la
diffusion de la lumière par des milieux hétérogènes et
stratifiés. Ce thème est étendu à des domaines proches de
l’art, tels que la peau, la cosmétique, les tissus et les
papiers.
Modélisation de l’aspect visuel de milieux hétérogènes
faiblement diffusants
L’interaction lumière-matière obéit ici au
domaine de validité de l’équation de transfert radiatif.
Le groupe a développé une méthode de
résolution de cette équation, originale et exacte: la
méthode de la fonction auxiliaire (AFM). Celle-ci permet
de calculer la répartition angulaire des flux lumineux
diffusés pour chaque longueur d’onde, de calculer les
couleurs correspondantes, de séparer les différentes
origines de la diffusion. L’AFM permet également la
résolution du problème inverse : retrouver les coefficients
d’absorption et de diffusion des centres diffuseurs à partir
de la mesure des flux diffusés.
Le domaine d’application que nous avons
choisi de privilégier pour l’application de cette recherche
théorique porte sur les œuvres d’art : couches picturales
stratifiées constituées de pigments (thèse de Gael Latour),
identification des vernis par fluorescence UV (thèse de
Mathieu Thoury), peintures et encres fluorescentes (postdoc de Patrizia Castiglione), étude de l’influence du poids
moléculaire des vernis sur leur aspect visuel
(collaboration avec De La Rie R, National Gallery of Art
de Washington).
Ces modélisations sont également étendues à
d’autres domaines tel que la peau vivante (thèse de
Caroline Magnain) ainsi qu’aux tissus et aux papiers.
Cette recherche a été valorisée par un contrat de
fournitures de logiciels à L’Oréal
Perspectives : Nous devrions dans le courant de l’année
2007 terminer les expériences sur la modification de
l’émission spontanée des nanocristaux à proximité des
surfaces métalliques. Nous nous focaliserons alors sur le
couplage de nanocristaux à des cristaux photoniques.
Dans un premier temps, nous caractériserons les cristaux
photoniques membranaires réalisés au LAAS, comme
nous l’avons fait pour les opales . Nous infiltrerons les
cristaux photoniques avec des solutions d’abord
concentrées de nanocristaux puis de plus en plus diluées
pour tendre vers l’échelle individuelle. Nous effectuerons
des mesures résolues en temps sur l’émission de
nanocristaux en milieu confiné (durée de vie, …). Dans le
cas des cristaux photoniques membranaires nous
attacherons en coopération avec le LAAS à des
problématiques d’accrochage de nanocristaux à l’endroit
optimum du cristal photonique. Nous chercherons ainsi à
optimiser les propriétés des nanocristaux en tant que
sources de photons uniques. A plus long terme nous
envisageons de travailler à température cryogénique et
d’étudier dans de tels milieux la cohérence de l’émission
des nanocristaux.
Une coopération commence actuellement avec l’équipe
de Jean-Louis Fave qui s’intéresse à l’excitation
électrique de nanocristaux dans des structures de type
LED. L’excitation électrique de nanocristaux individuels
serait à plus long terme une voie à explorer
Mise en œuvre d’instrumentation non-destructive pour
l’identification des matériaux de l’art
Parallèlement à l’étude de la propagation de la
lumière dans les milieux composant les œuvres d’art, le
groupe développe des appareils spécialement adaptés à
l’étude des œuvres d’art avec des techniques optiques
innovantes.
Nous avons mis au point un goniospectrophotocolorimètre en configuration de rétrodiffusion qui
permet des mesures non-destructives, sans contact,
réalisables sur le lieu d’exposition de l’œuvre et qui
fournit des résultats en temps réel. Son originalité réside
dans sa configuration de rétro-diffusion : la lumière
blanche ou UV incidente est conduite par une fibre
optique et la lumière diffusée par l’échantillon est
collectée dans la même direction par six autres fibres
optiques de même direction. La surface analysée est un
disque de 1 mm de diamètre. Il est dédié prioritairement à
l’identification non-destructive des pigments et colorants
Imagerie quantique (en collaboration avec le laboratoire
Kastler Brossel) Agnès Maître
Références : [4], [6], [7], [19], [25], [30] [41], [50],
[58], [67], [88], [L5], [L6], [L7]
Agnès Maître a effectué entre début 2005 et fin 2006 un
biseau avec le laboratoire Kastler Brossel, son laboratoire
d’origine, afin d’assurer l’encadrement de l’étudiant dont
elle était responsable jusqu’à la fin de sa thèse.
9)
Optique et art
Elias Mady, Frigerio Jean-Marc, Chartier Céline,
Castiglione Patrizia, Latour Gael, Magnain Caroline,
Moreau Julien, Simonot Lionel., Thoury Mathieu
137
NanoFocus
(Allemagne),
l’ICN
d’Amsterdam,
l’Université de Southampton, le centre Ormylia’ Art
Diagnosis (Grèce)et et collaborons avec la société
Lumière et Technologie sur l’exploitation des données de
leur caméra multispectrale.
des oeuvres par comparaison informatique des spectres
de réflexion diffuse avec ceux d’une base de données
spectrales. L’appareil est en cours de transfert industriel.
L’utilisation de ce goniospectrophotomètre et
l’exploitation des mesures obtenues nous a permis
d’ouvrir de nombreuses collaborations en particulier avec
le CRITT de Castres (analyses chimiques de pigments),
avec différentes écoles et centres de restauration : Institut
National du Patrimoine (Paris), Ecole nationale
supérieure d’art d’Avignon, Ecole nationale supérieure
d’art de Dijon, le laboratoire du musée de la musique de
Paris, le centre de restauration des œuvres de chevalet du
C2RMF ainsi qu’avec des artistes contemporains : Jean
Pierre Brazs, Michel Quarez, Inge Kabolt. Au niveau
industriel, une convention est en cours de négociation
avec Arcélor.
Une extension du goniospectrophotomètre
permettant de mesurer simultanément la fluorescence par
excitation UV est en cours de tests pour permettre
l’identification des vernis et de leurs constituants (résines,
liants, recettes et état de dégradation) sans déplacer
l’œuvre ni faire de prélèvement.
Perspectives : Suite aux évolutions des thématiques,
l’équipe actuelle sera profondément restructurée dans le
prochain quadriennal. B. Gallas, A. Brunet-Bruneau et J.
Perrière vont rejoindre l’axe «Nanomatériaux :
croissance, polarité, excitations fortes», B. Clerjaud
rejoint l’axe «Structure, dynamique et réactions aux
interfaces». Une équipe plus rapprochée thématiquement
constituée de C. Barthou, P. Benalloul, L. Coolen, M.
Elias, J.-L. Fave, J.-M. Frigerio, A.Maître, J. Rivory, J.
Roussel prend la succession de l’équipe « Couches
minces et nanostructures pour l’optique et l’optoélectronique ».
Cette nouvelle équipe «Nanostructures et Optique»
s’intéressera à la luminescence et à la diffusion de la
lumière. Les matériaux luminescents étudiés sont des
nanoémetteurs organiques ou semiconducteurs inclus
dans des nanostructures. A l’échelle individuelle, à
l'intérieur de cristaux photoniques, ils constituent des
sources de photons uniques alors qu’à l’échelle collective
ils sont l'élément actif de diodes électroluminescentes. La
diffusion et la luminescence sont aussi utilisées pour
l’identification non destructive de matériaux artistiques.
En collaboration avec l’ESPCI, nous avons
conçu une tomographie d’optique cohérente spectrale
(SOCT), adaptée aux problématiques des œuvres d’art
(domaine du visible, obtention d’informations spectrales
sur les pigments) dont les premiers résultats montrent la
possibilité d’identification des composants de couches
picturales stratifiées
Nous participons au Projet européen
FingArtPrint (empreinte non destructive des œuvres
d’art) en collaboration avec la société ELDIM, la société
Publications
[1].
-------------- 2003 --------------«A first insight of the mechanisms involved in the
self assembly of 2D hexagonal templated SiO2
and TiO2 mesostructured films during dipcoating»; Grosso D., Babonneau, Sanchez C.,
Soler-Illia G.A.A., Crepaldi E., Albouy P.A.,
Amenitsh H., Balkende A.R., Brunet-Bruneau A.;
Journal of Sol-Gel Science and Technology ; 26 ;
561 ; 2003
[2].
«Color change due to surface state modification» ;
Simonot L., Elias M.; Col. Res. Appl. 28 n°1 ; 4549 ; 2003
[3].
«Comparison between the auxiliary function
method and the discrete-ordinate-method for
solving the radiative transfer equation for light
scattering»; da Silva, Elias M., Andraud C.,
Lafait J.; J. Opt. Soc. Am. A 20 ; n°12 ; 23212329 ; 2003
[4].
[5].
« Conditional preparation of a quantum state in
the continuous variable regime: Generation of a
sub-Poissonian state from twin beams» ; Laurat J.,
Coudreau T., Treps N., Maître A., Fabre C.; Phys
Rev Lett ; 91 ; 213601 ; 2003
« Epitaxial Growth by femtosecond laser
ablation,The state of the art» ; Perriere J.,
Million E., Defourneau R.M., Defourneau D.,
Albert O., Etchepare J., Loulergue J.C., Seiler W.;
Crystal growth in thin films : control of epitaxy ;
Guilloux-Viry & A, Perrin Eds, Trans Res Net
India ; 154 ; 2003
138
[6].
« Experimental evidence of multimode nonclassical light emission using OPOs» ; Maître A.,
Treps N., Martinelli M., Ducci S., Fabre C.;
Fortschritte der Physik ; 51 ; 421-427 ; 2003
[7].
« Experimental study of the spatial distribution of
quantum correlations in a confocal optical
parametric oscillators» ; Martinelli M., Treps N.,
Ducci S., Gigan S., Maître A., Fabre C.; Phys Rev
A ; 67 ; 023808 ; 2003
[8].
« Femtosecond pulsed-laser deposition of
BaTiO3»
;
Millon
E.,
Perrière
J.,
Defourneau R.M., Defourneau D., Albert O.,
Etchepare J. ; Appl Phys A; 77 ; 73 ; 2003
[9].
« Growth of anthracene thin films by matrix
assisted pulsed laser evaporation» ; GutierrezLlorente A., Perez-Casero R., Pajot B., Roussel J.,
Defourneau R.M., Defourneau D., Fave J.L.,
Millon E., Perrière J. ; Appl Phys A ; 77 ; 786 ;
2003
[10].
« Highly porous TiO2 Anatase optical thin films
with cubic mesostructure stabilised at 700°C » ;
Grosso D., Soler-Illia G.A.A., Crepaldi E.L.,
Cagnol F., Sinturel C., Bourgeois A., BrunetBruneau A., Amenitsch H., Albouy P.A. and
Sanchez C. ; Chemistry of Materials ; 15 ; 4562 ;
2003
[11].
« Isotope effects in the electronic spectra of singly
ionized S+ and Se+ donors in silicon» ; Pajot B.,
Clerjaud B., McCluskey M.D. ; Physica B ; 340342 ; 760 ; 2003
[12].
[13].
[14].
« Luminescence of Eu2+ in calcium thiogallate
CaGa2S4» ; Benalloul P., Barthou C.,
Fouassier C., Georgobiani A.N., Lepnev L.S.,
Emirov Y.N., Gruzintsev A.N., Tagiev B.G.,
Tagiev O.B., Jabbarov R.B.; J. Electrochem. Soc.;
150(1) ; G62-G65 ; 2003
« Microscopic observations and ion beam
analyses of pigment distribution in painting
glazers » ; Simonot L., Zobelli A., Elias M.,
Salomon J., Dran J-C., J. of Trace and
Microprobe Techniques ; 21 ; n°1 35-48 ; 2003
« Nanomaterials containing rare earth ions Tb,
Eu, Er and Yb: preparation, optical properties and
application potential» ; T. Kim. Anh, L. Quoc
Minh , N. Vu, T. Thu Huong, N. Thang Huong,
Barthou C., and Strek W.; Journal of
Luminescence ; 102-103 ; 391-394 ; 2003
[15].
« Neutralization of manganese by hydrogen in
GaAs » ; Bouanani-Rahbi R., Clerjaud B.,
Theys B, Lemaitre A, Jomard F. ; Physica B ;
340-342 ; 284 ; 2003
[16].
« New photoluminescence lines in Vanadium
doped GaAs grown by MOVPE» ; Bchtenia A.,
Rebey A., El Jani B., Cernogora J. and Fave J.-L.;
Microlectronics Journal ; 34 ; p 271-274 ; 2003
[17].
« New photoluminescent composite materials on
the basis of polymer-semiconductor» ;
Ramazanov
M.
A.,
Tagyev
O.
B.,
Ismayilov A. A., Barthou C., Benalloul P.;
Applied Physics ; N 2 ; 51-53 ; 2003
[18].
« Photoluminescence study of erbium doped SiO2
thin films containing Si nanocrystals»; Kao C.C.,
Barthou C., Gallas B., Fisson S., Vuye G.,
Rivory J.; Mat Sci Eng B ; 105 ; 226 ; 2003
[19].
« Quantum Information Processing in optical
images » ; Fabre C., Andersen U., Bachor H.,
Buchler B., Gigan S., Lam P.K., Maître A.,
Treps N.; Superlattice and Microstructures ; 32 ;
323 ; 2003
[20].
« Silicon nanocrystals and defects produced by
silicon and silicon-and-gold implantation in
silica» ; Barthou C., Duong P.H., Oliver A.,
Cheang-Wong J.C., Rodriguez-Fernandez L.,
Crespo-Sosa A., Itoh T., Lavallard P. ; Journal of
Applied Physics ; 93 ; 10110 ; 2003
[21].
« Spectroscopic ellipsometry study of a selforganized Ge dot layer» ; Gallas B., Rivory J.;
Appl Phys ; 94 ; 2248 ; 2003
[22].
« Structural and luminescent properties of green
emitting SrGa2S4:Eu thin films prepared by RFsputtering» ; Chartier C., Barthou C.,
Benalloul P., Chenot S. and Frigerio J.M.; Journal
of Crystal Growth ; 256 ; 305-316 ; 2003
[23].
[24].
« Time resolved spectroscopy measurements of
titanium plasma induced by nanosecond and
femtosecond laser» ; Albert O., Roger S.,
Glinec Y., Loulergue J. C., Etchepare J.,
Boulmer-Leborgne C., Perrière J., Million E.;
Appl Phys ; A 76 ; 319 ; 2003
[25].
« Ultimate quantum limits for resolution of beam
displacement» ; Barnett S., Fabre C., Maître A.;
Eur Phys J D ; 22 ; 513-519 ; 2003
[26].
« UV and white electroluminescence in AVB
polymer » ; Romdhane S., Marai F., Hassine L.,
Fave J.-L., Roussel J., Majdoub M. and
Bouchriha H. ; Synthetics Metals ; 139 ; p 245249 ; 2003
[27].
« Thin films of insoluble co-polymer derived
from poly-para-phenylene (PPV) obtained by
thermal evaporation» ; Zaidi B., Ayach S.,
Mabrouk A., Fave J.-L., Molinie P., Ghedira M.
and Alimi K. ; J of Appl Polymer Sciences ; 89 ;
2003
139
-------------- 2004 --------------« Bi-directional reflectance of a varnished
painting Part 1: Influence of the refractive indices
without using the approximations of Saunderson
correction – Exact compution » ; Elias M.,
Simonot L. ; Opt. Comm. ; 231 ; 17-24 ; 2004
[28].
« Bi-directional reflectance of a varnished
painting Part 2: Influence of the refractive indices,
surface state and absorption – Experiments and
simulations » ; Elias M., Simonot L., Thoury M.,
Frigerio J-M. ; Opt. Comm.; 231 ; 25-33 ; 2004
[29].
« Color change due to a varnish layer » ;
Simonot L., Elias M.; Col. Res. Appl.; 29 ; 187204 ; 2004
[30].
« Conditional preparation of a sub-Poissonian
state in the continuous variable regime :
theoretical study » ; Laurat J., Coudreau T.,
Treps N., Maître A., Fabre C. ; Phys Rev A ; 69 ;
033808 ; 2004
[31].
« Dielectric function of Si nanocrystals embedded
in SiO2» ; Gallas B., Kao C.-C., Defranoux C.,
Fisson S., Vuye G., Rivory J.; Thin Solid Films ;
455-456 ; 335 ; 2004
[32].
« Elementary Blue-Emission Bands in the
Luminescence Spectrum of Undoped Gallium
Nitride Films» ; Gruzintsev A. N., Redkin A.N.,
Tatsii V. I., Barthou C. and Benalloul P.;
Semiconductors, Translated from Fizika i
Tekhnika Poluprovodnikov ; Vol 38 ; No 9 pp
1001–1004 ; Vol 38 ; No 9 pp ; 2004
[33].
« Energy transfers between Eu2+ and Er3+ in
EuGa2S4:Er3+ » ; Barthou C., Benalloul P.,
Tagiev B. G., Tagiev O. B., Abushov S. A.,
Kazimova F. and Georgobiani A. N. ; J of Phys :
Condensed Matter ; 16 ; pp 8075-8084 ; 2004
[34].
« Evidence of a sulfur-boron-hydrogen complex
in GaAs grown by the liquid encapsulation
Czochralski technique» ; Ulrici W., Clerjaud B. ;
Phys Rev B ; 70 ; 205214 ; 2004
[35].
« Fine-tuning the optical properties of aluminium
and lithium quinolates through oligothiophene
substituents in 2-position»; Jaafari A., Ouzeau V.,
Ely M., Rodriguez F., Yassar A., Aaron J. J.,
Benalloul P., Barthou C. ; Synthetic Metals ; 147 ;
175–182 ; 2004
[36].
« Fundamentals of Mesostructuring through
Evaporation-Induced Self Assembly»; Grosso D.,
Cagnol F., Soler-Illia G.A.A., Crepaldi E.L.,
Amenitsch H., Brunet-Bruneau A., Bourgeois A.
and Sanchez C. ; Advanced Functional Materials ;
14 ; 309 ; 2004
[37].
« Growth of polyalkylthiophene films bu matrix
assisted pulsed laser evaporation» ; GutierrezLlorente A., Horowitz G., Perez-Casero R.,
Perrière J., Fave J.L., Yassar A., Sant C. ; Organic
Electronics ; 5 ; 29 ; 2004
[38].
« Infrared luminescence of Y2O2S:Er and Y2O3:Er
coupounds» ; Georgobiani A.N., Gruzintsev A.N.,
Nikiforava T.W., Barthou C., Benalloul P. ;
Inorganics Materials ; 40 ; pp 840-844 ; 2004
[39].
« Isotope effects in the electronic structure of S+
and Se+ in silicon» ; Pajot B., Clerjaud B.,
McCluskey M. D. ; Phys Rev B ; 69 ; 085210 ;
2004
[40].
[41].
[42].
[43].
Fisson S., Matheron M., Gacoin T., Boilot J. P.
and Rivory J. ; Adsorption ; 11 ; 195 ; 2005
« Microstructure related photoluminescence in aCNx films deposited by reactive rf magnetron
sputtering» ; Lejeune M., Duran-Drouhin O.,
Barthou C., Lavallard Ph., von Bardeleben H.,
Zeinert A. ; Solid State Communications ; 129 ;
pp 107 ; 2004
« Nano-displacement
measurements
using
spatially multimode squeezed light» ; Treps N.,
Grosse N., Bowen W., Hsu M.T.L., Maître A.,
Fabre C., Bachor H.A., Lam P.K. ; Journal of
Optics B ; 6 ; 664-674 ; 2004
« Spectroscopic measurement of plume emission
from femtosecond laser ablation» ; Moreau D.,
Albert O., Benzerga R., Boulmer-Leborgne C.,
Millon E., Perrière J., Etchepare J. ; Thin Solid
Films ; 453 ; 3405, 29 ; 2004
« Stimulated emission from ZnO-SiO2-Si thin
film nanoresonators obtained by magnetron
sputtering method» ; Gruzintsev A.N.,
Volkov V. T., Barthou C., Benalloul P. and
Frigerio J.-M.; Thin Solid Films ; 459 ; pp 262266 ; 2004
[47].
« Epitaxial Growth of ZnO Thin Films» ;
Triboulet R., Perrière J. ; Vapour growth of bulk
crystal and epitaxy ; 47 ; pp 65-138 ; 2005
[48].
« Er-doped ZnO thin films grown by pulsed-laser
deposition» ; Perez-Casero R., GutierrezLlorente A., Pons-Y-Moll O., Seiler W.,
Defourneau R.M., Defourneau D., Million E.,
Perrière J., Goldner P., Viana B. ; J Appl Phys ;
97 ; 054905 ; 2005
[49].
« Highly ordered CTAB-templated organosilicate
films» ; Matheron M., Bourgeois A., Gacoin T.,
Brunet-Bruneau A., Albouy P., Biteau J. and
Boilot J.-P.; J Mater Chem ; 15 ; 4741 ; 2005
[50].
« Image transmission through a stable paraxial
cavity» ; Gigan S., Lopez L., Treps N., Maître A.,
Fabre C. ; Physical Review A ; 72 ; 023804 ; 2005
[51].
« Improvement of the PLD process assisted by RF
plasma for AlN growth» ; Basillais A.,
Benzerga R., Sanchez H., Le Menn E., BoulmerLeborgne C., Perrière J. ; Appl Phys ; A 80 ; 851 ;
2005
[52].
« Isotope effects in the electronic structure of S+
and Se+ in silicon» ; Pajot B., Clerjaud B.,
McCluskey M.D. ; Phys Rev B ; 69 ; 085210 ;
2004
[53].
« Microstructure related photoluminescence in aCNx films deposited by reactive rf magnetron
sputtering» ; Lejeune M., Duran-Drouhin O.,
Barthou C., Lavallard Ph., von Bardeleben H.,
Zeinert A. ; Solid State Communications ; 129 ;
pp 107 ; 2004
[54].
« Opal - ZnO Nanocomposite in structure and
emission properties » ; Emelchenko G.A.,
Gruzintsev A. N., Kovalchuk M. N.,
Masalov V. M., Samarov E.N., Yakimov E. E.,
Barthou C.; Semiconductors ; 39 ; 1328-1332 ;
2005
[55].
« Optical properties of Si naocrystals embedded
in SiO2» ; Gallas B., Stenger I., Kao C.-C.,
Fisson S., Vuye G., Rivory J. ; Phys Rev B ; 72 ;
155319 ; 2005
[56].
« Photoluminescence of Eu2+ in SrGa2S4 » ;
Chartier C., Barthou C., Benalloul P.,
Frigerio J.M. ; J of Luminescence ; 111 ; pp 147158 ; 2005
[57].
« Porosity and mechanical properties of
mesoporous thin films assessed by Environmental
Ellipsometric Porosimetry (EEP) » ; Boissiere C.,
David Grosso D., Lepoutre S., Nicole L., BrunetBruneau A., Sanchez C. ; Langmuir ; 21 ; 12362 ;
2005
[58].
« Quantum noise in multipixel image processing»;
Treps N., Delaubert V., Maître A., Courty J.M.
and Fabre C. ; Phys Rev A ; 71 ; 013820 ; 2005
-------------- 2005 --------------[44].
« 6-(Arylvinylene)-3-bromopyridine derivatives
as Lego building blocks for liquid crystal,
nonlinear optical and blue light emitting
chromophores» ; Leclerc N., Sanaur S.,
Galmiche L., Mathevêt A.-J., Attias F., Fave J.-L.,
Roussel J., Hapiot P., Lemaître N. and
Geffroy B. ; Chem Mat ; 17 ; p 502-513 ; 2005
[45].
« A carbon-nitrogen complex in GaP» ; Ulrici W,
Clerjaud B. ; Phys Rev B ; 72 ; 045203 ; 2005
[46].
« Adsorption and desorption isotherms by
Ellipsometric porosimetry at ambient temperature
to probe micropores in ordered mesoporous silica
films» ; Brunet-Bruneau A., Bourgeois A.,
140
[59].
[60].
« Radiative properties of Eu2+ in BaGa2S4 » ;
Jabbarov R.B., Chartier C., Tagiev B.G.,
Tagiev O.B., Musayeva N.N., Barthou C.,
Benalloul P ; J of Phys and Chem of Sol ; 66 ; pp
1049-1056 ; 2005
[72].
Miserque F., Zheng Y., Legrand-Buscema C.,
Aubert P., Perrière J. ; J Phys Cond Mat ; 18 ; p
1913 ; 2006
« Leveling of varnishes over rough substrates » ;
Elias M., De La Rie R., Delanay J., Charron E.;
Opt Com ; 266 ; 586-591 ; 2006
[73].
« Luminescence of CVD ZnO Nanocrystals of
Different Shapes » ; Gruzintsev A.N.,
Red’kin A.N., Yakimov E. E., Makovei Z. I.,
Barthou C., Benalloul P. ; Inorganic Materials ;
42 ; 508-514 ; 2006
[74].
« Luminescent properties of EuGa2S4:Er3+» ;
Georgobiani A. N., Abushov S. A.,
Kazymova F. A., Tagiev B. G., Tagiev O. B.,
Benalloul P., and Barthou C.; Inorganic
Materials ; 42 ; 1304 – 1307 ; 2006
[75].
« Non destructive study of lead glasses alteration
by reflectance spectroscopy»; Charbonneau C.,
Elias M., Frigerio J.M.; Opt Com ; 270 ; 280289 ; 2006
« Radiative transfer in inhomogeneous stratified
media using the Auxiliary Function Method » ;
Elias M., Elias G.; J. Opt. Soc. Am. A ; 21 ; 580589 ; 2004
[61].
« Radiative Recombination in GaN nanocrystals
at High Intensities of Optical Excitation » ;
Gruzintsev A.N., Red’kin A.N. and Barthou C. ;
Semiconductors ; 39, No 10 ; pp 1158–1161 ;
2005
[62].
« Special visual effect of art-glazes explained by
radiative transfer equation » ; Simonot L.,
Elias M., Appl. Opt.; 43 ; 2580-2587 ; 2004
[63].
« Spontaneous and Stimulated UV Luminescence
of ZnO:N at 77 K» ; Georgobiani A.N.,
Gruzintsev A.N., Yakimov E.E., Barthou C. and
Benalloul P. ; Semiconductors ; 39 ; pp 661–665 ;
2005
[76].
« Radiative properties of the blue BaAl2S4:Eu2+
phosphor» ; Barthou C., Jabbarov R.B.,
Benalloul P., Chartier C., Musayeva N.N.,
Tagiev B.G., and Tagiev O.B.; J. of Electrochem.
Soc. ; 153 ; G253-G258 ; 2006
[64].
« Synthesis of a novel luminescent copolymer
based on Bisphenol A» ; Trad H., Jaballah N.,
Majdoub M., Roudesli S., Roussel J., Fave J.-L. ;
Polymer International ; 54 ; p 1314-1319 ; 2005
[77].
« Relationship between color and composition of
ochres» ; Elias M., Chartier C., Prévot G.,
Garay H.; Mat. Scien. And Eng. B ; 127 70-80 ;
2006
[65].
« Thermally driven low-spin/high-spin phase
transition in solids» ; Biernacki S., Clerjaud B. ;
Phys Rev B ; 72 ; 024406 ; 2005
[78].
« Stimulated luminescence of ZnO nanocrystals
of different shape grown by the method of gas
transport » ; Gruzintsev A.N., Red’kin A.N.,
Emelchenko G.A., Barthou C., Benalloul P.; J.
Opt. A: Pure Appl Opt.; 8 ; S148-S152 ; 2006
[79].
« Study of the transient EL slow rise in single
layer OLEDs » ; Rihani A., Hassine L., Fave J.L.,
Bouchriha H. ; Organics Electronics ; 7 ; 1 ; 2006
[80].
« Synthesis and characterization of new bluephotoluminescent copolymer derived from
Bisphenol A» ; Jaballah N., Trad H., Majdoub M.,
Roussel J., Fave J.-L.; J of Appl Polymer
Science ; 99 ; 2997 ; 2006
[81].
« Visible luminescence of Al2O3 nanoparticles
embedded in silica glass host matrix» ; L. El Mir,
Amlouk A., Barthou C. ; Journal of Physics and
Chemistry of Solids ; 67 ; 2395–2399 ; 2006
[66].
-------------- 2006 --------------« Band gap energy of SrGa2S4:Eu2+ and
SrS:Eu2+»; Chartier C., Barthou C., Benalloul P.,
Frigerio J. M. ; Electrochemical and Solid-State
Letters ; 9 (2) ; G53-G55 ; 2006
[67].
« Continuous-wave phase-sensitive parametric
image amplification» ; Gigan S., Lopez L.,
Treps N., Fabre C., Maître A. ; Journal of modern
optics ; 53 ; 809 ; 2006
[68].
« Effects of yttrium codoping on fluorescence
lifetimes of Er3+ ions in SiO2-Al2O3 sol-gel
glasses» ; P. T. Nga, Barthou C. , Benalloul P., P.
N. Thang, L. N. Chung, P. V. Hoi, L. V. Luat and
P. T. Cuong ; Journal of Non-Crystalline Solids ;
352 ; 2385-2389 ; 2006
[69].
« Exceptional saturation of the colour in artglazes explained by radiative transfer» ; Elias M.,
Simonot L.; Applied Optics 45 ; n°13 ; 31683172 ; 2006
[70].
« Experimental study of back-scattering spectrum
of textile structures» ; Moussa A., Dupont D.,
Steen D., Zeng X., Elias M.; Col. Res. Appl. 31 ;
n°2 ; 122-132 ; 2006
[71].
[82].
[83].
« Influence of the CH4 partial pressure on the
microstructure of the sputter-deposited tungsten
carbide thin films » ; Abdelouahdi K., Sant C.,
141
------------- 2007 --------------« Composition, structural and electrical properties
of thin films prepared by laser ablation of Nd
doped potassium gadolinium tungstate» ;
Atanasov P. A., Dikovska A. Og., Perrière J.,
Defourneau R.M.; Thin Solid Films ; 515 ; 3052 ;
2007
« Growth of ZrSnTiO thin films by pulsed-laser
deposition» ; Nistor M., Ioachim A., Gallas B.,
Defourneau D., Perrière J., Seiler W.; Journal of
Physics : Condensed Matter ; 19 ; 096006 ; 2007
[84].
« Highly dispersive thermo-optical properties of
gold nanoparticles» ; Palpant B., RashidiHuyeh M., Gallas B., Chenot S., Fisson S., Appl
Phys Lett ; 90 ; 223105 ; 2007
[96].
« Color modeling of stratified pictorial layers
using the radiative transfer equation solved by the
auxiliary function method » ; Latour G., Elias M.
and Frigerio J. M. ; JOSA A ; 2007 accepté
[85].
« Luminescence of Zinc Oxide Nanorods» ;
Emel’chenko G. A., Gruzintsev A. N.,
Kulakov A. B., Samarov É. N., Karpov I. A.,
Red’kin A. N., Yakimov E. E., and Barthou C. ;
Semiconductors ; Low-Dimensional Systems ;
41 ; 176–179 ; 2007
[97].
« Development of a procedure for high quality
epitaxial growth of ZnO thin films on c-sapphire
substrates by pulsed-laser deposition» ; HosseineTeherani F., Rogers D.J., Reynolds D.C.,
Look D.C., Defourneau R.M., Perrière J.,
Kung P., Razeghi M., Garry G. ; Appl Phys A ;
2007 sous presse
[86].
« Preparation and infrared emission of silicazirconia-alumina doped with erbium for planar
waveguide» ; N. Thu Huong, T. Kim. Anh, M.
Hoai Nam, Barthou C., Strek W., and L. Quoc
Minh ; Journal of Luminescence ; 122-123 ; 911913 ; 2007
[98].
« Luminescence, Energy Transfer and UpConversion Mechanisms of Y2O3 Nanomaterials
Doped with Eu, Tb, Tm, Er and Yb Ions» ; Tran
Kim Anh, Benalloul P., Barthou C., Vu N.,
LamThi Kieu Giang, and Le Quoc Minh ; Journal
of Nanomaterials, Special Issue entitled
“Luminescent nanomaterials”; 2007
[99].
« Near infrared absorption of Si nanoparticles
embedded in silica films» ; Stenger I., Siozade L.,
Gallas B., Fisson S., Vuye G., Rivory J., Surf Sci.;
2007 à paraître
[87].
« Random Lasing in Vertical ZnO Nanorods» ;
Gruzintsev A. N., Red’kin A. N., Makoveoe Z. I.,
Yakimov E.E., and Barthou C. ; Semiconductors ;
Low-Dimensional Systems ; 41 ; 708–712 ; 2007
« Spatial quantum optical properties of c.w.
Optical Parametric Amplification » ; Lopez L.,
Gigan S., Maître A., Treps N., Fabre C.; C. R.
Acad. Sci. Paris ; 8 ; p199 ; 2007
[100]. « Nitrogen related defects in GaP and GaAs» ;
Ulrici W., Clerjaud B. ; Physica B; 2007 à paraître
[89].
« Separation between the different fluxes
scattered by art-glazes: explanation of the special
color saturation» ; Elias M., Simonot L.; Applied
Optics 45 ; n°13 (2006) ; 3168-3172 ; 2007
[101]. « Non-destructive varnish identification by UV
fluorescence spectroscopy»; Thoury M., Elias M.,
Frigerio J.M., Barthou C.; Appl. Spectro. ; 2007
soumis
[90].
« Skin color modeling using the radiative transfer
equation solved by the auxiliary function
method» ; Magnain C., Elias M., Frigerio J.-M.;
JOSA A24 ; 8 ; 2007
ZnO/SiO2,
Al2O3/SiO2
and
[102]. « TiO2/SiO2,
SnO2/SiO2» ; L. El Mir, Amlouk A., Barthou C. ;
Materials Sciences and Engineering C ; 2007
accepté
[91].
« Study of the interface Si-nc/SiO2 by infrared
spectroscopic
ellipsometry
and
X-ray
photoelectron
spectroscopy»;
Stenger
I.,
Gallas B., Siozade L., Fisson S., Vuye G.,
Chenot S., Rivory J., Physica E ; 38 ; 176 ; 2007
[L1].
Gallas B., « Exploring NanoTechnology: CDrom encyclopedia», 2005, iMediasoft /
Nanopolis
[92].
« Synthesis and luminescence properties of
ZnO/Zn2SiO4/SiO2 composite based on nanosized
zinc oxide confined silica aerogels» ; L. El Mir,
Amlouk A., Barthou C., Alaya S. ; Physica B:
Condensed Matter ; 388 ; 412-417 ; 2007
[93].
« Variations in the Intensity of Lasing in Vertical
ZnO Nanorods with Polarization of Optical
Excitation » ; Gruzintsev A. N., Red’kin A. N.,
Makoveoe Z. I., Yakimov E. E., Barthou C., and
Benalloul P.; Semiconductors, Low-Dimensional
Systems ; 41 ; 713–717 ; 2007
[88].
[94].
[95].
[L2].
Perrière J., Millon E., Craciun V., « Pulsed
Laser Deposition of ZnO and ZnO related
compounds » ; dans Pulsed Laser Deposition of
Thin Films : Applications in Electronics,
Sensors and Biomaterials, 2007, p. 261, Eason
R.W. & Chrisey D.B., Eds, John Wiley & Sons,
Inc
[L3].
Perrière J., Millon E., Fogarassy E. éditeurs,
« Recent advances in laser processing of
materials », 2006, publié par Elsevier
[L4].
Ayral A., Rouessac V., « Techniques
innovantes pour la caractérisation optique
microstructurale de couches minces », 2006,
CNRS Editions. Rédaction du chapitre 2 par
Brunet-Bruneau A.: Ellipsométrie infrarouge
appliquée aux couches minces
[L5].
Coudreau T., Debuisschert T., Fabre C.,
Maître A., Les oscillateurs paramétriques
optiques: principes et applications, dans
« sources lumineuses pour l’optoélectronique »,
(2003) sous la direction de C. Froehly, traité
EGEM, Hermes publications
----------------------------------« » ; Abdelouahdi K., Sant C., Miserque F.,
Zheng Y., Legrand-Buscema C., Aubert P.,
Perrière J. ; J Phys Cond Mat ; 2007 sous presse
« Angle-resolved reflectivity and self-activated
luminescence of 3D photonic crystals »;
Romanelli M., Vion C., Barthou C., Benalloul P.,
Frigerio J.-M., Maître A., Pham Thu Nga, Pham
Thai Cuong, Gruzinstev A., Redkin A.; J. of the
Korean Physical Society ; 2007 Accepté
142
[L6].
[L7].
Microcrystalline Semiconductors, June 5-7, 2004, St
Petesbourg, Russia, Book Abstract.p. 360; 2004
Maître A., Treps N., Fabre C., « Quantum
images in the C.W. regime using degenerate
optical cavities », in « Quantum Imaging »
(2006) M. Kolobov editor, Springer Verlag
Treps N., Maître A., Bachor H., Lam Ping Koi,
Fabre C., « extraction of information from
images : a quantum analysis » (2006) in
« Quantum Imaging » M. Kolobov editor,
Springer Verlag
[L8].
Elias M. (chapitres) « CAPES de Sciences
Physiques » 2003, 2004 et 2005, éditions Belin
Sup
[L9].
Elias M. (co-direction), « La couleur : lumière,
vision et matériaux», 2006, Belin coll. Echelles
[L10].
Frigerio J-M. (chapitres), « La couleur :
lumière, vision et matériaux», 2006, Belin coll.
Echelles
[C10]. « Preparation and optical properties of rare
earth doped mixoxides from (1-X) GeO2 –XSiO2» ;
Vu N., Tran Kim Anh, Man Hoai Nam, Barthou C.,
and Le Quoc Minh ; Symposium A2 –
Nanophotonic
Materials,
E-MRS
Meeting,
Strasbourg, France, May 27-28, 2004, Abstract A1PI.39 ; 2004
[C11]. « Preparation and structure of nanophosphors
materials Y2O3 doped with rare earth ions Er» ; Vu
N., Tran Kim Anh, Le Quoc Minh and Barthou C. ;
International Workshop on Photonics and
Applications IWPA-2004, 5-8 April 2004, Hanoi,
Vietnam, Proceeding, p. 89; 2004
[C12]. « Preparation,
optical
properties
and
upconversion effect of the Y2O3 nanophosphors
doped with Er and Yb rare earth ions» ; Vu N., Tran
Kim Anh, Barthou C. and Le Quoc Minh, ; The 9th
Asia Pacific Physics Conference (9th APPC) October
25-31, 2004, 4A-29C, Book of Abstracts, p. 195;
2004
------------- 2004 --------------[C2].
« An in situ study of mesostructured CTABsilica film formation using infrared ellipsometry :
evolution of water content » ; Brunet-Bruneau A.,
Bourgeois A., Cagnol F., Grosso D., Rivory J.; Thin
Solid Films; 455-456, 656 ; 2004
[C13]. « Reactivity of 3D hexagonal mesoporous silica
films to environment studied by infrared
ellipsometry » ; Brunet-Bruneau A., Besson S.,
Gacoin T., Boilot J. P., Rivory J.; Thin Solid Films;
447-448, 51 ; 2004
[C4].
« Description of the porosity of inhomogeneous
MSQ films using solvent adsorption studied by
spectroscopic ellipsometry in the visible range » ;
Bourgeois A., Brunet-Bruneau A., Jousseaume V.,
Fisson S., Demarets B., Rivory J.; Thin Solid Films;
455-456, 366 ; 2004
[C14]. « Synthesis and optical properties of Mn2+
doped CdS quantum dots» ; Trinh Ngoc Ha, Pham
Thu Nga, Nguyen Van Chuc, Le Ngoc Chung,
Barthou C., Benalloul P., Chu Viet Ha, Nguyen Van
Hung, Vu Thi Kim Lien, Pham Thai Cuong ; The 9th
Asia Pacific Physics Conference (9th APPC) October
25-31, 2004, 4A-30C, Book of Abstracts, p. 196 ;
2004
[C5].
« Determination of pore size distribution in thin
organized mesoporous silica films by spectroscopic
ellipsometry in the visible and infrared range » ;
Bourgeois A.,
Brunet-Bruneau A., Fisson S.,
Demarets B., Grosso D., Sanchez C, Rivory J.; Thin
Solid Films; 447-448, 46 ; 2004
------------- 2005 --------------[C16]. « Effects of Ytrium codoping on flurorescence
lifetime of Er3+ ions in SiO2-Al2O3 sol-gel glasses» ;
Nga P. T., Barthou C., Benalloul P., Thang P. N.,
Chung L. N., Hoi P. V., Luat L. V. and Cuong P. T.
; First Conference on Advances in Optical Materials,
AIOM 2005, Tucson, Arizona, USA, October 12-16,
2005, P40; 2005
« Effects of yttrium and ytterbium codoping on
[C6].
photoluminescence of erbium-doped SiO2-Al2O3
sol-gel glass» ; Trinh Ngoc Ha, Pham Nam Thang,
Le Ngoc Chung, Pham Thu Nga, Pham Van Hoi, Le
Van Luat, Tran Thi Cham, Vu Thi Kim Lien.
Barthou C., and Benalloul P.
; International
Workshop on Photonics and Applications IWPA2004, 5-8 April 2004, Hanoi, Vietnam, Proceeding,
p. 146; 2004
[C18]. « Non-destructive identification of varnishes by
UV-fluorescence » ; Thoury M., Elias M., Frigerio
J.M., Barthou C. ; Proc. SPIE Vol. 5857, p. 151-161,
Munich, Allemagne ; 2005
« Nanophotonic materials containing rare earth
[C8].
ions Er and Eu» ; Tran Kim Anh, Pham thi Minh
Chau, Vu N., Tran Thu Huong, Ung thi Dieu Thuy,
Tong thi Hao Tam, Barthou C., and Le Quoc Minh ;
International Workshop on Photonics and
Applications IWPA-2004, 5-8 April 2004, Hanoi,
Vietnam, Proceeding, p. 136; 2004
[C19]. « Opal – ZnO nanocomposites: structure and
emission properties. » ; Emelchenkpo G.A.,
Gruzintsev A.N., Kovalchuk M.N., Masalov V.M.,
Samarov E. N., Yakimov E. E., Barthou C.,
Zverkova I. I.; Proceeding SPIE, vol. No5825A39(2005) OPTO-2005, 4-6 April, Dublin, Ireland;
2005
[C9].
« Photoluminescence
BaSiO3
and
BaSiO3:Er,Yb crystals» ; Benalloul P. , Barthou C.,
Tagiev B.G., Abushov S. A., Kazimova F. A., Iliasli
T. M., and Tagiev K. O. ; Amorphous and
[C20]. « Ordered mesoporous organosilica films » ;
Matheron M., Gacoin T., Boilot J. P., Bourgeois A.,
Brunet-Bruneau A., Rivory J.; Stud. Surf. Sci.
Catal.; 156, 327 ; 2005
143
matrix» ; L. El Mir, E. Elalaoui, M. Ben Salem,
Barthou C. ; E-MRS 2007 Spring Meeting
Strasbourg, France, May 28 to June 1; 2007 à
paraître
[C31]. « Monitoring the a to b phase transition in
MnAs/GaAs(001) thin films as function of
temperature » ; Gallas B., Rivory J., Arwin H., Vidal
F., Stchakovsky M., ICSE-4, Stockholm ; 2007 à
paraître
[C22]. « Tuning the ferromagnetic properties of
hydrogenated GaMnAs » ; Lemaître A., Thevenard
L., Viret M., Largeau L., Mauguin O., Theys B.,
Bernardot F. , Bouanani-Rabhi R. , Clerjaud B. et
Jomard F.; Proceedings of the 27th International
Conference on the Physics of Semiconductors, AIP
Conference Proceedings vol. 772, p. 363 ; 2005
[C32]. « Non destructive study of lead glasses?
alteration by reflectance spectroscopy » ; Elias M.,
Charbonneau C., Frigerio J-M.; SPIE, Munich ;
2007 à paraître
------------- 2006 --------------[C23]. « Characterization of vanadium doped ZnO
films produced by pulsed laser deposition » ; Koleva
M.E., Atanasov P.A., Perrière J., Tzankov D. ; Proc.
of SPIE ; vol. 6604, 660415 ; 2006
[C33]. « Spontaneous emission of Single colloidal
CdSe/ZnS Nanocrystals close to a metallic
interface» ; Vion C., Barthou C., Benalloul P.,
Frigerio J.-M., Maître A. ; European Conference on
Lasers and Electro-Optics and the International
Quantum Electronics Conference (CLEO®/ EuropeIQEC) Munich, Germany, June 17-22 ; 2007 à
paraître
[C24]. « Experimental study of 3D self-assembled
photonic crystals» ; M Pham Thu Nga, Pham Thai
Cuong, Romanelli, Vion C., Maître A.,
Frigerio J. M., Barthou C., Benalloul P., Gruzintsev
A., Redkin A.
1st IWOFM-3rd IWONN
Conference, Halong City -Vietnam, December 6-9,
2006. Proceedings pp. 607-608 ; 2006
[C34]. « Study of the interface Si-nc/SiO2 by infrared
spectroscopic ellipsometry and X-ray photoelectron
spectroscopy »; Stenger I., Gallas B., Siozade L.,
Fisson S., Vuye G., Chenot S., Rivory J.; E-MRS
2006 meeting, Nice, 2006, Physica E 38, 176 ; 2007
[C25]. « Generalized Ellipsometry on sculptured thin
films: birefringence and chirality » ; Schubert M.,
Schubert E., Frost F., Neumann H., Rauschenbach
B., Fuhrmann B., Rivory J., Gallas B., invité à
Photon 06, Manchester (UK) ; 2006, publié dans
Adv. Solid State Phys. 46, Springer Book Series,
2006
[C35]. « Synthesis and optical properties of core-shell
semiconductor quantum dots in opal photonic
crystals » ; Nguyen Xuan Nghia, Pham Thu Nga, Vu
Duc Chinh, Le Ba Hai, Phan Tien Dung, Do Thuy
Chi, Barthou C., Benalloul P., Vion C., Maître A.;
Conference on Nanoscience and Technology, China
2007 (ChinaNANO 2007), Beijing, China, June 4-6,
2007. Preliminary Program, Section 1B-1:
Nanoparticales and Quantum Dots, 1O-135; 2007
[C26]. « Single-mode lasing from ZnO-SiO2 thin film
nanoresonators obtained by magnetron sputtering
method. » ; Gruzintsev A.N., Emelchenko G. A.,
Barthou C., Benalloul P., Volkov V. T.; Photonics
Europe, 3-7 April 2006, Strasbourg, France,
Proceeding SPIE, vol. 6182-76, p. 35 ; 2006
[C36]. « Synthesis and luminescence properties of
vanadium doped nanosized zinc oxide aerogel» ; L.
El Mir, J. El Ghoul, S. Alaya, M. Ben Salem,
Barthou C., von Bardeleben H. J.; E-MRS 2007
Spring Meeting Strasbourg, France, May 28 to June
1; 2007 à paraître
[C27]. « Synthesis and optical properties of colloidal
core-shell semiconductor nanocrystals quantum dots
for sensory application » ; Pham Thu Nga, Nguyen
Van Chuc, Vu Duc Chinh, Nguyen Xuan Nghia,
Phan Tien Dung, Dao Nguyen, Thuan, Pham Thai
Cuong, Chu Viet Ha,Vu Hong Hanh, Vu Thi Kim
Lien,Thai Nguyen, Barthou C., Benalloul P.,
Romanelli M., Maître A. ; 5th IEE Conference on
Sensors, IEEE SENSORS 2006, Daegu, Korea, Oct
22 - 25, 2006. Abstract book p. 11. Proceeding pp.
22-25 ; 2006
•
------------- 2007 ---------------
•
[C28]. « Changes in optical properties of MnAs thin
films on GaAs(001) induced by a to b phase
transition »; Gallas B., Rivory J., Arwin H.,
Vidal F., Etgens V. ; ICSE-4, Stockholm ; 2007, à
paraître
•
[C29]. « Components identification of stratified
pictorial layers by SOCT » ; Latour G., Moreau J.,
Elias M., Frigerio J. M., colloque SPIE, Munich 1921 juin 2007 à paraître
•
•
[C30]. « Elaboration and characterization of Al2O3
aerogel nanoparticles incorporated in silica host
144
«Multimode emission in the c.w. regime» ;
Maître A., Gigan S., Delaubert V., Martinelli,
M. Lopez L., Treps N., Fabre C. ; SPIE
conference ; San Diego (USA) ; 2003
«Formation of new phases and metastable
phases by pulsed laser deposition» ; Perriere J.;
Advanced Laser Technologies ALT'04 ; Rome
(Italie) ; 2004
«Formation of new phases and metastable
phases by pulsed laser deposition» ; Perriere J.;
Advanced Laser Technologies ALT'04 ; Rome
(Italie) ; 2004
«Parametric amplification of images» ;
Maître A. ; International Conference on
Squeezed States and Uncertainty Relations ;
Besançon ; 2005
«Quantum images in c.w. OPOs» ; Maître A. ;
SPIE conference ; San Diego (USA) ; 2005
•
•
•
«Quantum Optics in the continuous regime» ;
Maître A.; Russian French workshop for young
scientists: « Lasers Physics : Applications to
Atomic Physics and Material Sciences » ; 2006
•
•
« Experimental study of 3 D photonic crystals»;
Romanelli M., Vion C., Barthou C.,
Benalloul P., Frigerio J.-M., Maître A., Pham
Thu Nga, Pham Thai Cuong, Gruzinstev A.,
Redkin A., 1st IWOFM-3rd IWONN
Conference, Halong City -Vietnam, December
6-9, 2006.
« Quantum image generator by optical
parametric generation » ; Maître A.,
“International Conference on Advanced
Imaging”; septembre 2007
•
Autres
Contrats publics
•
ANR blanche 2005 « OrgaPix : Réalisation de
Pixel Organique : transistor OTFT et OLED »,
J.-L. Fave (Coordinateur : Y. Bonassieux)
•
PPF Ellipsomètre (2005-2008) J.-M. Frigério
•
Crédits de réinstallation 2005 « Optique et
acoustique et spectroscopie : ellipsomètre et
interféromètre FTIR », A. Brunet-Bruneau
•
ACI « Films mésostructurés fonctionnels :
nano-capteurs spécifiques pour les gaz
aromatiques » (17/09/2002-16/09/2005) J.
Rivory
•
Convention CEA : « Mesures de porosité
d'échantillons
ULK
par
ellipsométrie
porosimétrique » (12/2004-12/2005) J. Rivory
•
RMNT Consortium Nanoscop (06/200406/2007) « Nanoparticules de semiconducteurs
pour dispositif d'amplification à fibres
optiques » B. Gallas, J. Perrière, Y. Zheng
•
Crédits de réinstallation 2006 « nanoemetteurs
et cristaux photonique », A. Maître
•
« C’Nano Ile de France » (2006), Emission
dans
des
structures
mixtes
cristaux
photoniques/ nanocristaux, A. Maître
Thèses et HDR
•
•
•
•
•
•
•
•
(Hanoi, Vietnam), Université Pierre et Marie
Curie (06-07)
Carlos Barthou, Paul Benalloul, Alexander
Grusintsev
(Chergonolovka,
Russie)
coopération OTAN (05-07)
Carlos Barthou, Oktay Tagiev (Bakou,
Azerbaidjan) accord de coopération bilatérale
CNRS-académie des Sciences d’Azerbaidjan
Agnès Maître, Carlos Barthou, Paul Benalloul,
Jean-Marc Frigerio, , Pham Thu Nga (Hanoi,
Vietnam), accord de coopération bilatérale
CNRS-académie des sciences et technologies
du Vietnam (07-08)
« Physique de la couleur appliquée aux œuvres
d’art », Elias Mady, HDR UPMC, 2003
« Croissance par ablation laser et propriétés de
guides d’ondes d’oxydes dopés terres rares »,
Pons Y Moll Olivier, thèse UPMC, 2003
« Propriétés physiques et radiatives du
luminophore vert SrGa2S4 :Eu2+ en couche
mince », Chartier Céline, thèse UPMC, 2003
« Adsorption et condensation de gaz dans des
couches minces di-électriques mésoporeuses
suivies par ellipsométrie spectroscopique »,
Bourgeois Alexis, thèse UPMC, 2005
« Etude par ellipsométrie spectroscopique et
photoluminescence des effets de taille sur les
propriétés optiques de nanocristaux de Si dans
SiO2 et SiO2 dopé Er. Rôle des nanocristaux de
Si dans l’excitation de la luminescence des ions
Er. », Kao Chin-Cheng, thèse UPMC, 2005
« Optimisation de la croissance de couches
minces de composés par ablation laser »,
Benzerga Ratiba, thèse Université d’Orléans,
2005
« Etude
des
propriétés
optiques
de
nanoparticules de silicium et de leur interface
avec une matrice de silice par ellipsométrie
spectroscopique et spectroscopie de déflexion
photothermique», Ingrid Stenger, thèse UPMC,
2006.
« Identification non-destructive des vernis des
oeuvres d'art par fluorescence UV », Thoury
Mathieu, thèse UPMC, 2006
•
Frigerio J.-M., Réunions de GDR « Couleur et
matériaux à effets visuels »

« Propriétés optiques des
matériaux », 28 novembre
2003, Nantes

« Matériaux optiquement
actifs », 13-14 décembre
2004, Nantes

« Cristaux photoniques »,
9-10 mars 2006, Paris
Campus Boucicaut, France.
•
Fave J.-L., Journées « Polymères conducteurs
JPC’03 », septembre 2003, Dourdan
•
Perrière Jacques, Nistor Magda (NIFLPR,
Bucarest Roumanie), PAI Brancusi
Perrière Jacques, Atanasov Peter (Institut
•
d’Electronique, Sofia Bulgarie) Coopération
Franco-Bulgare
Fave Jean-Louis, Romdhane Samir (Universités
•
de Tunis, Bizerte et Monastir) CMCU Franco
Tunisien
•
Carlos Barthou , Paul Benalloul, Alexander
Grusintsev (Chergonolovka, Russie) accord
CNRS bilatéral franco-russe (02-03 puis 04-05)
•
Agnès Maître, Carlos Barthou, Paul Benalloul,
Jean-Marc Frigerio, Alexander Grusintsev
(Chergonolovka, Russie), Pham Thu Nga
•
Perrière J., Symposium EMRS « Advances in
Laser and Lamp Processing of Functional
Materials », juin 2005, Strasbourg
•
Maître A., « Quantum Imaging », septembre
2004, Cargèse (chair)
•
Perrière J., Co-Chair général de la Conférence
EMRS 2007 (18 Symposia, 2 100 participants),
mai-juin 2007, Strasbourg
•
Perrière J., Symposium EMRS « Advances in
Laser and Lamp Processing of Functional
Materials », juin 2005, Strasbourg
145
•
•
Ecoles
•
•
•
Maître A. « International Quantum Electronics
Conference », scientific committee (2005)
Maître A. « International Quantum Electronics
Conference », scientific committee (2007)
•
•
Fave J.-L., Ecole Thématique « PASCO
(Physique Autour des Semiconducteurs
Organiques) », juin 2005, Aussois
Fave J.-L., Ecole Thématique « PASCO II
(Physique Autour des Semiconducteurs
Organiques) », septembre 2006, Les Houches
Elias M., EDP-CNRS sur les matériaux de la
couleur,
Roussillon
Provence,
comité
scientifique et d’organisation 2003-2007
•
•
•
Vulgarisation
•
M. Elias, Salon du patrimoine, 2003
•
M. Elias, Entretiens Physique-Industrie EPI 7,
2003
•
M. Elias, Journées du patrimoine,2004
•
M. Elias, Quintescience, UPMC, 2004
•
M. Elias, CNRS-Thema n°5, 2004
•
M. Elias, Pour la Science, L’or flamand du
retable d’Issenheim, 2005
•
M. Elias, Collège de France, colloque
« recherches actuelles sur la couleur et les
matériaux à effets visuels » 2005
•
M. Elias, MesureExpo, entretiens de la Société
Française de Physique : Techniques physicochimiques utilisées pour le diagnostic de l’état
de conservation des œuvres d’art, 2005
•
M. Elias, Sagascience, 2006
•
•
•
•
146
M. Elias, « De l’artiste au physicien : Les glacis
dans la peinture d’hier et d’aujourd’hui »
conférence invitée, exposition « La passion
Léonard », Paris 2007
M. Elias « A la recherche des « vraies »
couleurs de la Joconde » conférence invitée,
exposition « La passion Léonard », Paris 2007
Fave J-L, expert commission Electronique
Organique de l’OMNT (Observatoire des
Micro et NanoTechnologies)
Frigerio J.M., « Qu’est-ce que la couleur ? »
Explorations
Pluridisciplinaires.
Quinté
Science, 2 mars 2004, Université P&M Curie
Frigerio J.M., « Histoire d’ondes : son et
lumière » Nuit blanche des Zincs des Sciences,
2 octobre 2004, Musée des Arts et Métiers
Frigerio J.M., « Pourquoi la nuit tous les chats
sont gris ? » FR3 (Ce n’est pas sorcier), diffusé
le 17 décembre 2004.
Frigerio
J.M.,
« Einstein
et
l’effet
photoélectrique »
I-Télévision
(Groupe
Canal +) diffusé le 3 janvier 2005
A. Maître, Cristaux photoniques et couleurs,
Ecole pluridisciplinaire « couleurs et effets
visuels » Roussillon (2007)
A. Maître, « ingénierie de la lumière », Science
en fête, Université Denis Diderot (prévue en
octobre 07)
Equipe III.3 - Propagation électromagnétique en milieu hétérogène – Applications (J. Lafait)
Permanents : Andraud Christine, MC ; Berthier Serge, PU1 ; Lafait Jacques, DR1; (Mireille Gadenne, MCHC retraitée en
2005; Mady Elias, PRCE a rejoint Jean-Marc Frigerio dans l'équipe III.2 en janvier 2007)
Non permanents : Bordier Clémence, doctorante ; Boulenguez Julie, doctorante ; Itjoko Serge, doctorant ; Reillon Vincent,
doctorant; Vallée Philippe, doctorant (thèse soutenue en décembre 2004).
L'équipe s'est spécialisée dans le développement
de modèles rendant compte de la propagation
électromagnétique dans les milieux à structure complexe,
pour les appliquer à des objets spécifiques que nous
avons regroupés dans deux thèmes : (i) biophotonique,
(ii) couleur et matériaux. Dans le premier thème, nous
étudions, d'une part les tissus cancéreux en vue de
développer une méthode optique originale de détection
précoce du cancer, d'autre part les structures photoniques
naturelles (notamment chez les insectes) présentant des
effets optiques particulièrement intéressants en vue d'une
transposition vers des matériaux de synthèse dits bioinspirés. Nous avons particulièrement progressé dans ce
thème grâce à la prise en compte de la polarisation dans
les effets de diffusion ainsi que par la modélisation multiéchelle qui en est à ses débuts. Dans le second thème,
nous cherchons à expliquer et/ou optimiser des effets
visuels liés à la couleur réalisés dans des matériaux
industriels contemporains ou dans des objets du
patrimoine culturel de type nanocomposites. Ce champ
est appelé à se développer en direction de nouveaux
matériaux bio-inspirés et X-chromes. Pour l'ensemble de
ces études, conduites dans le cadre de plusieurs
collaborations nationales et internationales, nous mettons
en œuvres des techniques spécifiques de caractérisation
morphologique et optique dont certaines ont été
développées ou adaptées dans l'équipe.
l’équation de transfert radiatif par la méthode N-flux
séparant les flux diffusés angulairement. Sur le plan
expérimental,
un
appareil
de
mesure,
le
goniospectrophotomètre, précédemment développé dans
l'équipe, permettant de réaliser des spectres de diffusion
en réflexion et en transmission sous toutes les incidences
et pour tous les angles de diffusion, a été modifié et
complété afin de pouvoir réaliser ces mêmes mesures en
polarisation. Un diffusomètre ELDIM a également été
acquis en 2007 à partir des crédits du contrat européen
Biophot, afin de pouvoir saisir une cartographie
instantanée des flux diffusés spatialement, en fonction de
la polarisation et pour une longueur d'onde fixée par des
filtres interférentiels.
Une première phase de validation du modèle a
été effectuée sur des échantillons s'approchant des tissus
biologiques (lait, intralipides). Elle a permis, entre autres,
de mettre en évidence, d'un point de vue optique le
caractère bimodal (confirmé par une étude
morphologique) de la distribution de taille des
intralipides. Les simulations, en bon accord avec les
mesures, ont montré que ces deux populations n'étaient
pas mélangées de manière homogène mais présentaient
vraisemblablement un phénomène de sédimentation
inversé, car la graisse présente dans les intralipides est
moins dense que l'eau.
Tout récemment, nous avons entrepris l’étude,
par les mêmes techniques, de cultures cellulaires
reproduisant in vitro les tissus épithéliaux, d’une part, et
des échantillons de peau de souris ayant subi ou non une
irradiation d’autre part (collaboration avec le CRAN et le
centre anti-cancéreux Alexis Vautrin de Nancy), ouvrant
ainsi la voie à la mise en œuvre des techniques mises au
point au cours de ce travail pour la biopsie optique sur
des systèmes biologiques réels. L’observation au
microscope des lames d’anatomopathologie de tissus de
souris révélant une structure composée de différentes
tailles de diffuseurs nous avons complété le code de
modélisation, afin de prendre en compte de la distribution
de taille des diffuseurs.
Parallèlement à son travail de thèse en
physique, Clémence Bordier a suivi le cursus de deux ans
de l'Institut de Formation Supérieure Médicale (IFSBM,
Université Paris-Sud et Hôpital Gustave Roussy,
Villejuif) dont elle a obtenu le diplôme. Par ailleurs, nous
collaborons avec le BioMoCéTi (Laboratoire de Biologie
Moléculaire, Cellulaire et Tissualire de l'UPMC,
Geneviève Bourg-Heckli) et le Laboratoire de Physique
des Interfaces et des Couches Minces (Laboratoire de
l'Ecole Polytechnique, Antonello de Martino) afin de
corréler notre méthode de diagnostic avec des techniques
d'imagerie de fluorescence (BioMoCéTi) et de
polarisation (LPICM).
1) Biophotonique
Andraud Christine, Berthier Serge, Bordier Clémence,
Boulenguez Julie, Lafait Jacques
Références : [1], [2], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10],
[15], [20], [22], [23]
Biomédical et biopsie optique
(Thèse de Clémence Bordier, bourse MENRT, début en
octobre 2004)
L'objectif de cette recherche est de pouvoir,
grâce à une technique non invasive (mesures optiques),
détecter de manière précoce l’apparition de tumeurs dans
l'épithélium des organes creux. L'observation de base est
le doublement de la taille des noyaux des cellules
lorsqu'elles deviennent cancéreuses (d'environ 6µm à
12µm, suivant les organes). Le comportement spectral et
angulaire de la diffusion de la lumière et son état de
polarisation dépendant fortement de la taille des
diffuseurs (noyaux des cellules), nous avons fait le choix
de développer une méthode d'analyse optique de la
diffusion par ces tissus (variations spectrale et spatiale,
effets de polarisation et de dépolarisation) en espérant
pouvoir être discrimant entre tissus sains et cancéreux.
Un modèle optique scalaire permettant le calcul
de la répartition angulaire des flux diffusés par un milieu
stratifié multi-couches, développé dans l'équipe lors d'une
thèse antérieure, a été repris et étendu au cas vectoriel
afin de prendre en compte l'état de polarisation de la
lumière. Ce modèle est basé sur la résolution de
Structures naturelles
Le terme de « recherche biophotonique »
recouvre ici la caractérisation et la modélisation des effets
147
incidences,
de
mesures
gonio-spectroscopiques
directionnelles, de microspectrophotoscopie et de
diffusométrie. Ces derniers permettent d'établir des cartes
de dispersion spatiale des flux diffusés par ces diverses
structures, ainsi que de leurs états de polarisation. Enfin,
la microspectroscopie permet de mesurer les spectres de
réflexion ou de transmission d’objets de taille variant de
1µm2 à 1mm2, et est donc particulièrement adaptée à
l’étude des structures multi-échelles. Ces mesures
permettent de caractériser les couleurs générées par ces
structures, ainsi que leur évolution en fonction de
différents paramètres (X-chromie). Elles nous permettent
également, d'un point de vue plus fondamental, de
déterminer plus précisément que cela n'a été fait
jusqu'alors, les indices optiques des différents
constituants. Nous nous sommes intéressés par ailleurs
aux effets de polarisation produit par diverses structures :
(élytres des cicindèles, écailles en cuvette des Papilio,
stries stratifiées des Morpho…).
optiques dans les structures photoniques naturelles. Il
s’agit typiquement d’une démarche trans-disciplinaire
qui, à partir d’une étude commune des structures
photoniques biologiques et de leurs propriétés optiques,
ouvre des perspectives distinctes et originales en zoobiologie et en physique appliquéé A l'interface de la
biologie morphologique et de la physique, le but de ces
études est d'identifier, expliquer et modéliser les effets
optiques au sens large observés dans le monde animal,
principalement chez les insectes (lépidoptères et les
coléoptères) et éventuellement chez d’autres groupes
(poissons, oiseaux, reptiles…).
L’étude commune - Nous avons entrepris une étude des
structures biologiques produisant des effets colorés
d'origine physique, ainsi que des phénomènes associés
non directement colorés : polarisation et hydrophobie.
Ces milieux biologiques sont des milieux complexes de
plusieurs points de vue. Optique tout d'abord. Ils sont le
siège de phénomènes combinés (interférence, diffraction,
diffusion) presque toujours associés à des pigments plus
ou moins bien connus. C'est de ces combinaisons que les
insectes tirent la richesse de leur couleur et c'est
précisément ces interactions que nous cherchons à
caractériser, modéliser et éventuellement transposer dans
le domaine industriel. Morphologique d'autre part. Ces
"matériaux" sont à la fois inhomogènes et désordonnés,
ce qui place cette étude dans la continuité des recherches
antérieures de l’équipe sur les Milieux Inhomogènes
Aléatoires Macroscopiques (MIAM) ou plus récentes sur
la diffusion. Une caractéristique importante est que ces
désordres s'étalent sur une grande échelle de taille,
typiquement de la centaine de nm – taille caractéristique
de la structure créant la couleur – au cm, échelle des ailes
ou des carapaces, et que chaque échelon modifie les
effets colorés créés à plus petite taille.
Perspectives :
Biomédical:
Les
comparaisons
simulation/mesure effectuées sur des milieux proches des
tissus biologiques nous ont permis de valider notre
modèle optique. La mise en œuvre de procédures
similaires sur des tissus ex vivo, puis in vivo, humains
permettront de terminer cette phase de validation et
d'élaborer, grâce aux simulations numériques, un
protocole permettant la détection précoce de cellules
cancéreuses (choix des longueurs d'onde, des angles
d'incidence et de détection et des états de polarisation
pertinents). La corrélation avec l'imagerie de
polarisation et de fluorescence reste également à faire.
Une nouvelle thèse est en cours de lancement sur ce
programme.
Structures naturelles, intérêt et perspectives en biologie.
L’intérêt en biologie est double. Il concerne l’ethologie
d’une part, la cladistique de l’autre. L’importance de la
communication optique chez les insectes en particulier
est clairement établie. Elle est à la base de phénomènes
d’évolution fondamentaux comme les différents types de
mimétismes (batésien et mullerien) sans avoir jamais
clairement été quantifiée. Le message optique est mal
connu et souvent estimé à partir d’organismes morts,
immobiles et figés dans une position d’exposition peu
naturelle. Nos études permettent pour la première fois
d’estimer la portée réelle du message émis par un
organisme vivant, son ouverture et sa signature
spectrale. La poursuite de ce travail
concerne
précisément les effets colorés liés au mouvement de
l’animal, qui implique déformation des structures et
variation de l’incidence et de l’angle d’observation. Du
point de vue de la classification des espèces, on sait que
pour des raisons historiques, les critères morphologiques
retenus étaient essentiellement macroscopique. Depuis
l’avènement de la génétique ils sont devenus
moléculaires et les contradictions entre les approches
sont nombreuses. Notre étude systématique des structures
nanométriques des écailles d’une famille complète (les
Morphidae, 50 espèces environ) montre que cette échelle
intermédiaire peut résoudre certaines contradictions. Ces
travaux sont menés conjointement avec le Muséum
National d’Histoire Naturelle, Département Systématique
et Évolution, MNHN-USM 601 et CNRS-UMR 5202;
dans le cadre d’une thèse du Muséum.
Caractérisation Morphologiques - Notre démarche
consiste tout d'abord à caractériser d'un point de vue
morphologique ces structures et à les classer. Très
schématiquement, on peut distinguer des structures
amorphes ou périodiques et, parmi ces dernières, des
périodicités selon 1, 2 ou 3 dimensions, suivant en cela la
classification
des
cristaux
photoniques.
Les
caractérisations morphologiques font appel à un grand
nombre de techniques microscopiques soit au sein même
de l’équipe ou par le biais de collaborations extérieures.
Microscopie optique: INSP; SEM: LISE (Laboratoire
Interfaces et Systèmes Electrochimiques, UPMC et
UPR15 CNRS); TEM: LBM (Laboratoire Biologie
Marine, UMR CNRS-UPMC 622); Tomographie X:
National Synchrotron Radiation Research Center
(Taiwan); Topographie par moiré: LMS (Laboratoire de
mécanique des solides , Université de Poitiers). Nous
nous sommes par ailleurs équipés d’un ultra-microtome
dans le but de maîtriser nous mêmes les coupes minces
pour le TEM, qui restent la clé d’une étude précise des
structures. Cet achat a été également effectué dans le
cadre du projet européen Biophot auquel nous participons
sur cette thématique.
Caractérisation optiques – Les propriétés optiques et
colorimétriques d’un organisme ou d’une structure
photonique sont toutes entières contenues dans la BRDF
(Bidirectional Reflectance Distribution Function). Les
études optiques sont menées du proche UV au proche IR
à l'aide des spectrophotomètres du laboratoire, et jusqu'au
moyen IR (15µm) pour l'étude des propriétés radiatives
des ailes, sur des spectrophotomètres extérieurs (DGA –
Centre d’étude d’Arcueil). Il s'agit d'une part de mesures
de réflectivité spectrales hémisphériques sous diverses
Structures naturelles, intérêt et perspectives en physique
et transferts industriels. D'un point de vue théorique, la
modélisation de ces effets colorés, tant chez les insectes
que dans les réalisations industrielles dérivées (tissus,
148
composite (propriétés optiques, granulométrie de
l'alumine et des luminophores) ainsi qu'un volet
modélisation, consistant à prédire, puis à optimiser les
propriétés radiatives des couches composites. L'étape de
caractérisation morphologique et optique des matériaux
produits par l'industriel impliqué dans l'étude a été
relativement longue et a nécessité la mise en œuvre de
méthodes spécifiques adaptées à ces matériaux
anisotropes, sous forme de poudre, issus de différentes
techniques d'élaboration confidentielles. Cette étape s'est
achevée avec succès.
La modélisation a été effectuée à l'aide d'un
logiciel de Transfert Radiatif dans sa résolution "4 flux
multicouche" précédemment développé au sein de
l'équipe. Une étude préliminaire avait permis de montrer
que ce modèle permettait de prédire de manière
satisfaisante les propriétés de transmission et de réflexion
des couches granulaires d'alumine, en comparant les
résultats des simulations aux mesures réalisées par
spectrophotométrie à l'aide d'une sphère intégrante. Le
modèle a été complémenté sur trois points par Serge
Itjoko afin de répondre aux exigences du système étudié:
prise en compte d'interfaces rugueuses, de formes de
diffuseurs non sphériques, de centres émetteurs au sein de
la couche. La modélisation des fonctions de phase et des
sections efficaces de diffusion et d'absorption de
particules anisotropes géométriquement (sphéroïdes) et
désorientées nous a permis de conclure, que, dans le cas
étudié, compte tenu du désordre orientationnel, un
modèle plus simple de sphère diffusante équivalente était
tout à fait satisfaisant. Tout récemment, la prise en
compte des luminophores dans le modèle 4 flux a été
réalisée par l'addition d'un "terme source" dans l'équation
de transfert radiatif prenant en compte l'absorption UV, le
rendement quantique et le spectre d'émission des
luminophores. Cette extension du modèle est
actuellement validée. Une difficulté subsiste concernant
l'accès aux caractéristiques optiques détaillées des
luminophores qui, pour certains, restent confidentielles.
billets de banque, systèmes de conversion d'énergie…)
pose le problème de l'analyse multi-échelle des
phénomènes. Dans le cas des couleurs physiques qui
nous intéresse ici, la couleur est générée par des
structures nanométriques que l'on sait très précisément
modéliser pour des structures parfaites (grains, couches
minces, traits…) dans le cadre de l'optique ondulatoire.
Ces effets sont par la suite modulés par des structures
d'échelle
supérieure
(micrométriques
puis
millimétrique…) qui relèvent plus de l'optique
géométrique. Les effets colorés sortent en général
dégradés de cette modulation et cette dégradation ou
cette évolution avec la taille d'analyse et d'observation
doit pouvoir être estimée aussi précisément que possible.
Notre approche consiste d’une part à mettre au point ou
à maîtriser les techniques de calculs adaptées à chaque
type de structure et à chaque échelle, puis de relier en
tenant compte des interactions entre les différents
éléments. Nous travaillons actuellement – thèse de Julie
Boulenguez (bourse MENRT, début en octobre 2005) – à
la mise au point d’un modèle multi-échelle basé sur la
théorie de la renormalisation dans l’espace réel (blocs de
Kadanof) dont nous sommes spécialistes. Les modèles
exacts permettent de calculer la BRDF d’un objet sans
défaut, de taille « a ». Par renormalisation, nous
obtenons la BRDF d’un objet de taille 2a constitué de 4
éléments de taille « a » sans défaut mais différents les uns
des autres, ce qui nous permet d’introduire le désordre à
l’échelle « a » et ainsi de suite. Le désordre est en effet
une constante caractéristique des structures naturelles
mais c’est également lui qui leur confère l’une de leurs
propriétés importantes : la robustesse. Aussi avons-nous
entrepris cette année une analyse qualitative du désordre
à toutes les échelles des structures photoniques des
Morphos basée sur l’entropie de configuration
développée par Christine Andraud. Ces travaux
conduiront à la mise au point d'un modèle capable
d'intégrer tous les facteurs influençant la couleur d'un
objet depuis les molécules (via l'indice optique) jusqu'à
sa géométrie macroscopique. Ce modèle devrait inclure à
chaque étape les effets du désordre et des défauts. Elle
s'inscrit également dans le projet de poursuite du contrat
européen Biophot centré sur l'utilisation des effets
analysés dans le monde du vivant pour l'amélioration des
systèmes de conversion énergétique.
Lustres
Dans le cadre des effets colorés produits par des
structures nanoscopiques minérales, nous avons entrepris,
en collaboration avec le Laboratoire de Recherche et de
Restauration des Musées de France (C2RMF, UMR
CNRS - Culture) et l’Instituto per lo Studiodei Materiali
Nanostrutturati (CNR, Rome) l’étude et la modélisation
des propriétés optiques des lustres et des céladons, tous
deux conçus dans le but de reproduire artificiellement sur
des céramiques les effets colorés des métaux précieux
pour les premiers, du jade pour les seconds.
Le lustre constitue l’une des techniques de
décoration des poteries les plus importantes et les plus
sophistiquées du bassin méditerranéen. Il consiste en une
fine couche de nano-inclusions métalliques (Ag et/ou Cu
principalement) immergées dans une matrice diélectrique.
Les subtiles couleurs iridescentes observées sont dues à la
fois à l’excitation des plasmons de surface des grains
métalliques, d’une part et aux interférences de couche
mince et de multicouche d’autre part. Des lustres
d’origine variés (Moyen-orient, Italie, Espagne) en
provenance du musée du Louvre et d’Italie sont analysés
C2RMF. Leurs propriétés optiques sont, quant à elles,
caractérisées à l’INSP par différentes techniques
spectroscopiques et micro-spectroscopiques mises au
point dans ce but et présentées précédemment. Dans le
cadre de sa thèse, Vincent Reillon développe un modèle
également multi-échelle adapté à ce type de structure
2) Couleur et matériaux
Andraud Christine, Berthier Serge, Itjoko Serge, Lafait
Jacques, Reillon Vincent
Références : [11], [14], [16], [17], [18], [19], [21], [24]
Eclairage
(Thèse de Serge Itjoko, bourse CIFRE - Baikowski
Chimie, début en mars 2005).
L'objectif du travail est d'optimiser les
propriétés radiatives des couches nanocomposites
alumine/luminophores déposées sur les parois des lampes
à décharge, afin d'augmenter le rendement énergétique de
ces sources de lumière. Les luminophores de la couche
composite luminescent sous l'action du rayonnement
ultraviolet (UV) émis par l'ionisation des vapeurs de
mercure à basse pression contenues dans la lampe, sous
l'action d'une décharge électronique produite entre une
cathode et une anode. L'alumine à l'état granulaire
enrobant les luminophores permet, par diffusion multiple
du rayonnement UV, d'améliorer le rendement de
luminescence. Cette étude comporte un volet de
caractérisation des matériaux en présence dans la couche
149
(intégrant les théories de milieux effectifs et les modèles
de diffusion développés par ailleurs dans l’équipe) afin de
prendre en compte les différentes tailles de désordre
présentes dans les lustres anciens. L'un des effets les plus
marquants de ce type de structures complexes est
l'existence d'effets interférentiels en dehors du spéculaire.
Le modèle développé rend compte de ces effets créés par
des couches interférentielles à interfaces rugueuses et
désordonnées. Les céladons, quant à eux, produits par les
potiers chinois à partir du 2ème siècle, se proposaient de
reproduire les effets colorés du jade, pierre précieuse par
excellence dans ces civilisations. Ils sont caractérisés par
un effet de transparence du revêtement, proche de celui
créé par les glacis en peinture. Cette étude débute cette
année et devrait se poursuivre en collaboration avec le
C2RMF et le National Synchrotron Radiation Research
Center de Taiwan.
Perspectives : Eclairage et matériaux du patrimoine
Publications
[1].
«Thermoregulation and spectral selectivity of
the tropical butterfly Prepona meander: a
remarkable example of temperature autoregulation»; Berthier S. ; Appl. Phys. A ; 80 ;
1397-1400 ; 2003
[12].
«Effects
of
pulsed
low
frequency
electromagnetic fields on water characterized
by light scattering techniques : role of
bubbles»; Vallée P., Lafait J., Legrand L.,
Mentré P., Monod M-O., Thomas Y. ;
Langmuir ; 21 ; 2293-2299 ; 2005
[2].
«Determination of the cuticle index of the
scales of the iridescent butterfly Morpho
Menelaus»; Berthier S., Charron E., Da-Silva
A. ; Optics-Communications. ; 228 ; 349-56 ;
2003
[13].
«Effects
of
pulsed
low
frequency
electromagnetic fields on water using
photoluminescence spectroscopy : role of
bubble/water interface» ; Vallee P., Lafait J.,
Mentre P., Monod M-O., Thomas Y. ; Journalof-Chemical-Physics ; 122 ; 114513-1-8 ; 2005
[3].
«Raman
scattering
of
water
and
photoluminescence of pollutants arising from
solid-water interaction»; Vallee P., Lafait J.,
Ghomi M., Jouanne A., Morhange J-F. ;
Journal-of-Molecular-Structure. ; 651-653 ;
371-9 ; 2003
[14].
«Thermal morphological evolution of platinum
nanoparticles in Pt-Al2O3 nano-composites»;
Maaza M., Nemraoui O., Sella C., Lafait J.,
Gibaud A., Pischedda V.; Physics Letters A ;
344 ; 57-63; 2005
[4].
«Multiple light scattering in multilayered
media: theory, experiments»; da-Silva A.,
Andraud C., Charron E., Stout B., Lafait J. ;
Physica-B. ; 338 ; 74-8 ; 2003
[15].
«Structure and optical properties of the wings
of Morphidae»; Berthier S., Charron E.,
Boulenguez J. ; Insect Science ; 13 ; 145-157 ;
2006
[5].
«Absorption in multiple scattering systems of
coated spheres: design applications» ; Stout B.,
Andraud C., Stout S., Lafait J.; Physica-B.;
338, 121-5 ; 2003
[16].
«Modelization of the optical and colorimetric
properties of lustred ceramics»; Reillon V.,
Berthier S.; Applied Physics A ; 83 ; 257-265 ;
2006
[6].
«Catastrophe theory interpretation of multiple
peaks produced by light scattering from very
rough dielectric surfaces»; Caron J., Lafait J.,
Andraud C. ; Physica B ; 325 ; 76-85 ; 2003
[17].
[7].
«Absorption in multiple-scattering systems of
coated spheres»; Stout B., Andraud C., Stout
S., Lafait J.; J. Opt. Soc. Am. A ; 20 ; 1050-59 ;
2003
«Lusters of renaissance pottery : Experimental
and theoretical optical properties using
inhomogeneous theories»; Berthier S., Paladetti
G., Fermo P., Bouquillon A., Aucouturier M.,
Charron E., Reillon V. ; Appl. Phys. A ; 83 4 ;
573-579 ; 2006
[18].
«Coloration des verres par des nanoparticules
métalliques»; Lafait J. ; Verre ; 12(4); 11-21 ;
2006
[19].
«New perspectives for the understanding of the
optical properties of middle-age nano-cermets:
The lustres»; Reillon V., Berthier S.,
Andraud C.; Physica B ; 394 ; 242-247 ; 2007
[20].
«Simulation tools for natural photonic
structures»; Boulenguez J., Berthier S.,
Vigneron J. P.; Physica B ; 394 ; 217-220 ;
2007
[21].
«Nanostructures produced by co-sputtering to
study the optical properties of artistic middleage nano-cermets: The lustres»; Reillon V.,
Berthier S., Chenot S.; Physica B ; 394 ; 238241 ; 2007
[22].
«Radiative transfer model with polarization
effects applied to organic matter»; Bordier C.,
Andraud C., Charron E., Lafait J.; Physica B ;
394 ; 301-305 ; 2007
[8].
«Comparison of the auxiliary function method
and the discrete-ordinate-method for solving
the radiative transfer equation for light
scattering»; Da Silva A., Elias M., Andraud C.,
Lafait J.; J. Opt. Soc. Am. A ; 20 ; 2321-9 ;
2003
[9].
«Radiative transfer calculations in multilayer
systems with smooth or rough interfaces»;
Caron J., Andraud C., Lafait J. ; Journal-ofModern-Optics ; 51 ; 575-95 ; 2004
[10].
«A model of the angular distribution of light
scattered by multilayered media»; Da Silva A.,
Andraud C., Lafait J., Robin T., Barrera R.G. ;
Journal of Modern Optics ; 51 ; 313-32 ; 2004
[11].
«Optical properties of an all-plastic WO3.H2Obased infrared modulator»; Bessiere A., Beluze
L., Morcrette M., Viana B., Frigerio J-M.,
Andraud C., Lucas V. ; Journal-of-AppliedPhysics. ; 95 ; 7701-6 ; 2004
En ce qui concerne les revêtements des tubes à décharge,
des mesures expérimentales sur des échantillons réels
permettront la validation in fine du modèle complet
incluant les luminophores. Une étude systématique de
l'influence des tailles et concentrations de l'alumine et
des luminophores conduira à l'optimisation des
propriétés radiatives de ces couches. L'utilisation d'un tel
modèle devrait s'avérer un outil efficace pour l'étude de
la fluorescence des vernis et l'étude des pigments anciens
qui est par ailleurs envisagée dans le cadre de notre
convention de collaboration avec le C2RMF. Cette
collaboration se poursuivra donc sur les céladons, les
pigments anciens, les vernis et les nano-défauts dus au
vieilissement dans les verres anciens.
150
[23].
«Multiscalled polarization effects in insects.
Application
to
anti-counterfeiting
of
Banknotes»; Berthier S., Boulenguez J.,
Ballint Z.; Applied Physics A ; 86 ; 123-130 ;
2007
[24].
«Influence of the deposition conditions on the
optical absorption of Ag-SiO2 nanocermet thin
films»; Sella C., Chenot S., Reillon V.,
Berthier S.; Accepté Thin Solid Films ; 2007
•
•
•
[L1] Berthier Serge, « Iridescences : Les couleurs
physiques des insectes », 2003, Springer France
•
[L2] Berthier Serge, « Couleur métal», Chapitre: L'insect
philosophale, 2004, Edisud
•
[L3] Berthier Serge, « Lumière-Couleur, dialogue entre
art et science», catalogue de l'exposition du GDR
couleur, 2005, C2RMF
[L4] Berthier Serge, « Les nanosciences II:
nanomatériaux et nanochimie», Chapitre: Optique, 2005,
Belin
•
[L5] Lafait Jacques, « La couleur: Lumière, Vision et
Matériaux», 2006, Belin
[L6] Berthier Serge, « La couleur: Lumière, Vision et
Matériaux», Chapitre: Couleurs structurales, 2006, Belin
«Light in nano-size solids» ; Berthier S.;
International summer school ; Baku
(Azerbaijan); septembre 2004
«Multiscalling structures in insects, Colours
and polarization effects» ; Berthier S.;
International
Workshop
Material
and
sensations ; Pau (France); octobre 2004.
«Lusters of renaissance pottery : Experimental
and theoretical optical properties using
inhomogeneous theories» ; Berthier S.;
European Material Research Symposium ;
Strasbourg (France); juin 2005
« Approche éthologique de la couleur. Exemple
des insectes» ; Berthier S. ; IRIS - Essence et
sens des couleurs, Colloque international ;
Nancy (France) ; 9-10 novembre 2005
«Characterization and modelization of the
optical properties of lusters» ; Berthier S.,
Reillon V.; Maestro Giorgio da Gubbio – Arte,
Scienza et Tecnologia delle Maioliche a Lustro,
Symposium international Gubbio ; Italie ; 9-11
novembre 2005
«Physical phenomena involved in the color and
visual effects of natural and synthetic
materials»; Lafait J.; CIE International
Symposium on Visual Appearance ; Paris ; 1920 October 2006
Thèses et HDR
•
[L7] Berthier Serge, « La couleur: Lumière, Vision et
Matériaux», Chapitre: La luminescence, 2006, Belin
[L8] Andraud Christine, La couleur: Lumière, Vision et
Matériaux», Chapitre: Diffusion de la lumière: méthodes
scalaires, 2006, Belin
•
[L9] Berthier Serge, « The Physical Colors of Insects »,
2007, Springer NY
« Diffusion de la lumière dans les milieux
stratifiés: prise en compte des interfaces
rugueuses et des effets de polarisation », Caron
Jérôme, thèse UPMC, 2003
« Etude
de
l'effet
de
champs
électromagnétiques basse fréquence sur les
propriétés physico-chimiques de l'eau », Vallée
Philippe, thèse UPMC, 2004
•
[C5] «Otto Marseus Van Schrieck. Chardon, reptile et
papillons : la nature dans l’œuvre »; Menu M., Mottin B.,
Berthier S. Couleur et temps: la couleur en conservation
et restauration, édité par SFIIC, ISBN: 905430-16-8,
page 177-185, Paris, 2006
[C6] «Physical phenomena involved in the colour and
visual effects of natural and synthetic materials»;
Lafait J., Berthier S. and Vigneron J.-P.; CIE
International Symposium on Visual Appearance ; Edité
dans un CD par CIE, Vienne - Austria 2007, ISBN L905430-16-8, Pages 8-15
•
Berthier S., Lafait J. (BIOPHOT, Contrat
européen
regroupant
les
laboratoires:
Laboratoire de Physique des Solides, Université
Notre dame de la Paix, Namur, (Belgique),
Natural History Museum, Londres, (Grande
Bretagne), Hungarian Natural History Museum,
Budapest, (Hongrie) Research Institut for
Technical Physics and Material Sciences,
Budapest, (Hongrie)
Berthier S., Reillon V. (Collaboration sur les
lustres avec l'IMNS du CNR Rome (Italie))
Autres
•
«Color Modelling» ; Lafait J., Barrera R.;
celebration symposium UNAM ; Mexico
(Mexique); avril 2003
•
«Transdisciplinarité,
science
et
responsabilité» ; Lafait J. ; Colloque UNESCO
«Science et Conscience» ; Strasbourg (France) ;
mai 2003
•
«Color of ceramics» ;. Lafait J., Forum of the
World Academy of ceramics, 9-13 mai 2004,
Cesenatico (Italie)
•
«Optics and biomimetism» ; Berthier S.;
European Summer University «New trends in
Optics» ; Strasbourg (France); 4-11 juillet 2004
Contrats privés
•
Baikowski-Chimie :
« Optimisation
des
propriétés
radiatives
de
revêtement
alumine/luminophores
pour
lampes
fluorescentes »
(03/2005-03/2008)
C.
Andraud, J. Lafait
•
l'Oréal : « fourniture de logiciels de diffusion
de surface et de transfert radiatif » (03/200509/2005) M. Elias, J. Lafait
•
Okhrâ : « Interaction de la lumière avec les
matériaux associés à la couleur » (05/200505/2008) J. Lafait
151
•
Lafait J, Micheron F. : 7èmes entretiens
Physique-Industrie, « La couleur: origines,
perception et implications », 22 octobre 2003,
Paris
•
Lafait J., Réunions de GDR : « Couleur et
matériaux à effets visuels »:
Lafait J, Deumié C. : « Diffusion de la lumière
et couleur », 13 novembre 2003, Marseille
Lafait J, Livage J. : « Recherches actuelles sur
la couleur et les matériaux à effets visuels », 19
mai 2005, Collège de France
•
Berthier S Lafait J, Membres du comité
scientifique de l'exposition : "Lumière,
couleur : dialogues arts et sciences" (juin-juillet
2005)
•
Berthier S., Membre du comité scientifique du
colloque international IRIS (essence et sens des
couleurs) (Nancy, France) 9-10 novembre 2005
•
Lafait J., Berthier S., Andraud C. Journée bilan
GDR Couleur, 14 mars 2007, Paris
•
Ecoles
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Lafait J., Ecole d'automne sur "la modélisation"
(GDR « Couleur et matériaux à effets
visuels »), 20-24 septembre 2004 , Roussillon
Lafait J., Ecole thématique du CNRS sur la
couleur des matériaux: "Lumière et couleur des
matériaux" (27-31 mars 2006), Roussillon,
responsable scientifique.
Berthier S. Ecole thématique du CNRS sur la
couleur des matériaux: "Lumière et couleur des
matériaux" (26-30 mars 2007), Roussillon,
« Couleur et polarisation »
•
•
•
•
Vulgarisation
Conférences dans les Lycées et collèges:
•
Berthier S., Préparation des Olympiades de la
physique (finalistes), Lycée Pasteur, Hénin
Beaumont, 2 avril 2003.
•
Berthier S., Collège Clémenceau, Mantes la
Jolie, 9 octobre 2003.
•
Berthier S., Lycée Sonia Delauney, Cesson,
juin 2004
•
Berthier S., Lycée Chaptal, Paris, septembre
2006
Emission de radio
•
Continent Science, de S. Déligeorges, France
Culture, 21 janvier 2004
•
•
•
•
•
Conférences grand public:
•
Berthier S., J. Livage, Collège de France, Paris,
décembre 2003
•
Berthier S., Envie d’amphi – Université Pierre
et Marie Curie, 6 décembre 2003.
•
Berthier S., Quinte et Science – Université
Pierre et Marie Curie, 2 mars 2004
•
152
Lafait J., Animation d'une rencontre de Quinte
& Science sur "la vue: physique, couleur et art"
(UPMC, Paris) 2 mars 2004.
Berthier S., Société Française de Physique,
Lyon, 17 mars 2004; Grenoble, Juin 2004,
Orsay, 15 octobre 2005
Lafait J., dossier Thema-CNRS n°5 (4°
trimestre 2004) : "physiquement vôtre . Article
: "une science toute en couleurs".
Lafait J., portrait dans la revue Interface
(UPMC- 1° trimestre 2005): "et si la physique
reprenait des couleurs".
Berthier S., Exposition « Lumière-Couleur »
Paris, 7 juillet 2005
Berthier S., J. Livage, ESPCI – Espace des
Sciences, 17 octobre 2005
Lafait J., fête de la science 2006, animation
d'un café des sciences sur la Couleur à Limay,
15 octobre 2006.
Berthier S., Année mondiale de Physique et
Science en fête: 36 Candélas –Village des
Sciences – (jardins du Luxembourg), 14-16
octobre 2005
Science en fête: 36 Candélas – Mairie du 12ème,
Paris, octobre 2005
Science en fête: Médiathèque « l’Astrolabe »
Melun, 11 octobre 2005
Berthier S., Musée d’art moderne, Grenoble, 11
mai 2006
Lafait J., Animation d'un bar des sciences sur la
Couleur à la prison de Fleury Merogis (4
décembre 2006).
Lafait J., Conférence au café des arts, des
sciences et des techniques, ars mathematica :
"De la véritable nature de la couleur" (9 février
2007), FNAC digitale, Paris.
Lafait J., dossier sagascience-CNRS Chimie et
Beauté, (printemps 2007) "Le filtrage
ultraviolet des produits cosmétiques solaires",
"la physique et les couleurs structurales".
Berthier S., Université Inter-âges, Versailles, 3
avril 2007
Lafait J., modérateur de la session Couleur du
premier forum des métiers de l'imagerie (Caen)
14 juin 2007 et conférence sur : "panorama de
la couleur".
Andraud C. "Modèlisation de la couleur",
premier forum des métiers de l'imagerie (Caen)
14 juin 2007.
Berthier S., "Les couleurs physiques des
insectes", premier forum des métiers de
l'imagerie (Caen) 14 juin 2007.
Lafait J., participation à la table ronde de la
journée Couleurs de porcelaine, entre
patrimoine et innovation (Manufacture de
Sèvres) 5 juillet 2007
Rapport des services techniques
sur le fonctionnement, l’organisation du laboratoire, les
personnes à contacter ; ce document est complété par
l’intranet. Début 2006, un séminaire hors murs, à
l’intention de l’ensemble des personnels a été organisé
afin de faire un point après un an d’existence, et, dans un
cadre convivial, de mener des réflexions sur les
spécificités
scientifiques
de
l’institut,
son
fonctionnement, la communication….
La communication
Avec l’arrivée d’une responsable de la communication en
mai 2005, un plan de communication a été proposé. Il
définit les objectifs du laboratoire en matière de
communication et les actions et outils à mettre en place.
En interne, il s’agit de développer le sentiment
d’appartenance à l’INSP et de mettre en œuvre les
circuits d’information concernant l’organisation et le
fonctionnement du laboratoire, son actualité. En externe,
il s’agit de faire connaître l’institut, de valoriser les
recherches et les chercheurs, de promouvoir les
manifestations scientifiques organisées par des membres
de l’INSP, enfin de participer activement à la diffusion de
la culture scientifique.
Pour ce faire, nous avons commencé par mettre en place
les outils indispensables. Un nouveau site web a été créé,
dans la charte graphique des sites du CNRS, avec une
information plus accessible et à jour, une navigation
aisée, une iconographie enrichie et une technologie de
pointe. Il permet en temps réel, de relayer séminaires,
stages, thèses, manifestations scientifiques organisées par
des membres de l’INSP… toute information permettant
de mettre en valeur les personnels du laboratoire, les
publications, les ouvrages, les informations destinées aux
étudiants. Une rubrique grand public a été conçue pour
faire connaître l’implication des membres du laboratoire
dans des actions de culture scientifique, des rubriques
particulières sont développées ponctuellement (Fête de la
science), un site anglais, allégé dans un premier temps, a
été mis en place, une base de consultation des ouvrages
de la bibliothèque est en cours de développement….
Concernant le site intranet, développé dans le même
temps et dans la même charte graphique, l’objectif a été
de mettre à la disposition de tous l’ensemble des
informations
concernant
l’organisation,
le
fonctionnement du laboratoire. On y trouve les
documents de référence, mais aussi les comptes rendus
des réunions du conseil de laboratoire et autres instances,
des éléments sur l’organisation du service de gestion, les
formations, sur l’hygiène et la sécurité, ou encore les
services communs, etc. ; il va être enrichi d’une
photothèque interne. Il sert également à relayer les
informations venant des tutelles.
En matière de communication externe, les relations avec
la presse ont été développées. Elles ont démarré au
moment de l’inauguration de l’institut, en mars 2005. En
répondant de façon systématique aux demandes des
journalistes ou en les sollicitant, nous avons obtenu un
article dans le journal du CNRS sur un jeune chercheur
primé, dans « Pour la science », un article écrit par deux
membres du laboratoire, des citations dans le Monde,
l’Expansion, ou encore un sujet sur France 3 IdF, en avril
2007. En deux années, nous comptons une vingtaine de
citations ou articles sur l’institut.
Par ailleurs, la communication du GdR Or nano a été
confiée à la responsable de la communication de l’INSP.
Après la première réunion plénière, le dossier de presse
diffusé via le CNRS, a donné lieu 35 occurrences dans la
presse écrite, web et radio. Dans plusieurs de ces
retombées, l’INSP est cité.
Par ailleurs, des partenariats ont été développés dans
l’objectif d’une plus grande visibilité. Ainsi une
collaboration a été mise en place avec « Science en
cours », chaîne de la web tv Canal-U destinée aux
étudiants ; elle a donné lieu à un film de 20’ présentant
des recherches menées à l’INSP. Un partenariat avec
C’Nano IdF dans le cadre de l’organisation des débats
« Nanosciences : dialogues avec le CNRS », a débouché
notamment sur la réalisation d’un clip sur le
« nanomonde », réalisé par CNRS images. Enfin, la
mairie du 15ème arrondissement soutient nos actions
annuelles liées à la Fête de la science, en finançant notre
Au plan interne également, un effort particulier a été
porté aux nouveaux arrivants : à leur intention, un vademecum a été édité, qui leur donne des repères immédiats
153
les journées portes ouvertes du campus en 2006, et ainsi,
chaque année, nous proposons des actions nouvelles pour
un public de proximité qui vient nombreux (1000
personnes en 2005, 800 en 2006). En 2006, nous avons
donc organisé 5 conférences expérimentales, qui ont été
enregistrées en vue de réaliser des films, proposé un jeu
de piste pour les enfants. En 2007, une exposition de
photographie scientifique est présentée, 6 nouvelles
conférences sont proposées ainsi qu’un stand pour
découvrir les métiers de la recherche.
En 2006, la quinzaine d’ateliers, animés pour la plupart
par les doctorants, ont accueilli environ 350 enfants des
écoles du quartier.
programme et en nous aidant à la diffusion de
l’information.
Nos objectifs de diffuser la culture scientifique et de faire
connaître les métiers de la recherche, nous ont amenés à
accueillir les élèves du lycée français de San Francisco, et
deux classes de lycéens lors de la fête de la science 2006.
En 2007, les lauréats des olympiades de physique sont
venus visiter le laboratoire et une présentation des
métiers de la recherche a été faite par trois membres du
laboratoire devant plusieurs classes du lycée international
H. de Balzac à Paris.
En 2007, sur une initiative de la responsable de
communication de l’institut, nous avons organisé, en
collaboration avec la délégation Paris B du CNRS et
C’Nano IdF, pour le compte du CNRS une série de
débats destinés à montrer des exemples de recherches
menées dans le domaine des nanosciences dans les
laboratoires franciliens, et d’engager le dialogue avec le
grand public sur les progrès attendus, les enjeux mais
aussi les risques, les questions éthiques, juridiques qui se
posent. Quatre débats intitulés « Nanosciences :
dialogues avec le CNRS » ont donc été organisés entre
avril et juin 2007 dans des lieux publics parisiens. Ils ont
donné lieu à la réalisation d’un clip introductif sur les
nanosciences et ont été enregistrés dans l’objectif de
produire d’autres produits multimédia. Cette opération
répond directement à l’une des recommandations émises
par le COMETS en matière de communication sur les
nanosciences et nanotechnologies.
Depuis 2004, les deux instituts participent activement à la
fête de la science en proposant de nombreuses
animations : des ateliers pour les enfants (CM1, CM2),
animations grand public, conférences, visites de salles
d’expériences, jeu de piste. En 2005, l’arrivée de la
responsable de communication a permis aux instituts
d’investir le stand du CNRS au village des sciences dans
les jardins du Luxembourg, dans le cadre de l’année
mondiale de la physique. Le village a accueilli 60 000
visiteurs. Les présentations du stand sont venues enrichir
Cette année, un autre outil de communication externe est
réalisé : il s’agit d’une plaquette institutionnelle de
l’institut, proposée en français et en anglais.
154
comme substrats, de lames en tungstène, ZnO,
saphir.
Atelier d’optique cristalline et de rayons X
A la demande de l’institut de minéralogie et de physique
des milieux condensés, l’atelier a réalisé : orientation
optique ou RX et mise en forme (lames) SGGM : Nd ;
Yb Al3(Bo3)4d’ep :20µ) polissage qualité optique de
monocristaux de KNbO3, GaAs, Al2O3 ; Spinelle,
Magnétite, Tsavorite pour des mesures à l’ESRF,
Les activités de l’atelier d’optique cristalline et
de rayons X de l’INSP sont, d’une part la réalisation
d’orientations de monocristaux dans les 7 systèmes
cristallins puis leur mise en forme et leur polissage
qualité optique, d’autre part la caractérisation structurale
de matériaux sous forme de poudres et de couches
minces.
Un autre exemple de travaux réalisés, à la demande de
l’ENSCP : orientation optique ou RX et mise en forme de
monocristaux de SGGM : Nd ; Yb Al3(Bo3)4, Gd-COB ,
Y-COB ; une nouvelle famille de matériaux à fonctions
multiples pour l'optique : propriétés non linéaire et laser ;
BaNaB9O15, KDP, CBF pour la réalisation de nouveaux
lasers.
La caractérisation de matériaux sous forme de poudres et
de couches minces s’effectue par diffractométrie de
rayons X (DRX). Les échantillons analysés sont élaborés
par les équipes de l’institut ou par des équipes collaborant
avec l’INSP.
•
Ces activités s’exercent principalement pour le compte
des équipes de l’institut mais également à la demande
d’équipes extérieures, laboratoires ou services
d’enseignement.
Exemple : poudre de LiFePO4 élaborée par la méthode
sol gel
La réalisation d’orientations de monocristaux
utilise la méthode optique dans le visible, avec l’appareil
Descloizeaux, et la méthode de diffraction des rayons
X par la méthode Laue en réflexion. On peut citer
quelques réalisations pour des équipes de l’institut :
•
Amincissement à 20µd’ep. et polissages optiques de
lames en Si, en silice comme substrats, de lames en
tungstène, de grilles micro-percées en laiton
pour l’étude des cristaux phononiques, ouverture de
bandes interdites élastiques pour des modes de
plaque,
•
Réalisations de biseaux à 45° sur des cristaux de
GaN, GaAs, Si : Zn : multi réflexions pour
augmenter le signal infrarouge pour la recherche des
modes de vibrations des liaisons H-dopants,
•
Polissage de GaP pour des mesures optiques
infrarouge et détecter les impuretés C,N et les
liaisons Mn-H et Mn-D,
•
Conception et réalisation d’un support en quartz
pour la réalisation, par les étudiants de M1, de
biseaux à 45°sur des lames en silicium d’ep. : 500µ
pour l’expérience : greffage de la molécule de
phénylacétylène sur
silicium hydrogéné par voie
aqueuse,
•
Pour la caractérisation des échantillons sous forme
de poudres, les diffractogrammes sont réalisés en
configuration Bragg-Brentano. Ils sont exploités
pour identifier les phases présentes dans la poudre,
indexer les pics de diffraction, affiner la structure
par la méthode de Rietveld et calculer les tailles des
cristallites.
Spectre calculé
Spectre mesuré
Différence
Sur ce spectre on voit que la poudre ne contient qu’une
seule phase. L’affinement nous permet d’obtenir les
valeurs des paramètres de maille, les positions des atomes
du motif, les taux d’occupation des sites et les facteurs
DW (agitation thermique).
•
La réalisation de figures de pôles sur des couches
minces épitaxiées permettent d’identifier les phases
qui ont « poussé » lors de la croissance de la couche
mince. Les figures de pôles permettent aussi de
mettre en évidence des relations d’épitaxie.
Exemple : figure de pôles pour 2θ = 30.28° d’une couche
mince de Ga2O3 sur un substrat de Al2O3 élaborée par
PLD
Polissage de silice, d’opale, de céramique, Cu
monocristallin, ZnTe, de lames en Si, de silice
155
•
Des expériences de diffraction en incidence rasante
permettent de montrer si une couche mince est
polycristalline ou texturée et de sonder la couche en
évitant le substrat. Des ω-scan (Rocking Curves) et
des φ scan permettent d’étudier la qualité cristalline
des couches minces épitaxiées (désorientations des
plans cristallins). Enfin, des expériences de
réflectivité X permettent de mesurer l’épaisseur, la
rugosité interfaciale et les densités massique et
électronique des couches minces.
Exemple : couches minces de MnAs puis ZnSe sur un
substrat de GaAs élaborées par MBE
Par ailleurs, l’atelier participe aux réseaux de
compétences du CNRS : le « Réseau Optique et
Photonique (ROP) et le réseau « Cristaux Massifs et
Dispositifs pour l'Optique » (CMDO) en offrant des
stages de formation. Il accueille régulièrement en stage
des thésards, des étudiants de master, des élèves de
collèges et lycées, organise et anime un atelier de
polissage lors de la fête de la science.
156
Parmi les projets scientifiques de l’INSP en cours
qui ont pu tirer parti de notre centrale de technologie, on
peut citer :
La Salle Blanche
Le projet de salle blanche a beaucoup évolué
depuis la création de l’INSP grâce à un couplage étroit
avec les projets de l’ENS et l’ESPCI, et plus récemment
avec celui du pôle MPQ de l’Université Paris 7 Denis
Diderot. Ce partenariat entre ces quatre centrales se
traduit dans les faits par une réflexion commune avant
toute demande d'équipement afin d'éviter les redondances
et par l'ouverture aux équipes des différents laboratoires
partenaires, de tous les équipements disponibles sur
l'ensemble des quatre sites. Le Ministère de tutelle a
accordé à cet ensemble de quatre centrales
technologiques le label « Centrale de proximité de second
cercle de Paris-Centre ».
L’INSP dispose d’une zone d'environ 80 m2 à
empoussièrement contrôlé certifiée ISO6 (anciennement
classe 1000), correspondant à moins de 1000 particules
de 0,5µm par pied3, ce qui est essentiel pour la
réalisation d'échantillons « propres », exempts de défauts
liés à la présence de poussières.
C’est un équipement mutualisé, accessible à tous
les membres de l’INSP, permanents ou non, sous réserve
d’une formation par les ingénieurs responsables de la
salle. Ceux-ci peuvent également réaliser des échantillons
à la demande lorsque leur l'élaboration requière des
étapes technologiques particulières.
Un peu plus de la moitié des équipes de l'INSP
utilise régulièrement cet équipement, à des degrés divers
et pour des besoins variés, allant de l’environnement
contrôlé aux différents appareils disponibles tels que les
évaporateurs ou le pôle de photolithogravure UV. La
plupart des équipements actuels proviennent de ceux dont
étaient dotés les anciens laboratoires constitutifs de
l'INSP. C'est ainsi que nous disposons de plusieurs
appareils complémentaires permettant de réaliser des
dépôts métalliques d’épaisseur contrôlée, de microcontacts électriques mais aussi des couches d’oxydes. Il
est également possible de réaliser différents échantillons
par photolithogravure UV. En effet, lors du plan
quadriennal en cours, les soutiens appuyés de l'Université
Pierre et Marie Curie (PPF), du Ministère (ACI) et de
l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) ont permis à
l'INSP de se doter en 2007 d'un dispositif encore rare en
France, permettant la gravure de motifs aux dimensions
sub-microniques. Enfin, complétant ces deux postes, un
microscope optique d'excellente qualité, un profilomètre
et une microsoudeuse sont à la disposition des
expérimentateurs.
L'étude de l'interaction avec une onde élastique
de surface d’un plot métallique de petite taille (1 à 5 µm)
déposé sur un substrat. La réalisation des plots par
photolithogravure UV nécessite un contrôle fin des
conditions expérimentales. Des expérimentations futures
porteront sur le cas des plots enterrés dans le substrat.
La mise en évidence de bandes interdites pour
des ondes élastiques se propageant dans des cristaux
phononiques. Ceux-ci sont constitués par des membranes
de silicium (2µm d’épaisseur) structurées à l'échelle du
micromètre par un réseau de trous.
L’élaboration de capteurs de température
obtenus en créant des pistes conductrices en or qui
permettent de mesurer la conductivité thermique dans le
super-réseau sous-jacent.
La réalisation de cavités Fabry-Perot par dépôt
de couches d’argent dont l’épaisseur doit être contrôlée
au nanomètre près. La propreté de la salle est essentielle
pour la qualité de ces surfaces semi-réfléchissantes qui
permettent de faire de l’interférométrie multi-ondes.
L’élaboration d’échantillons structurés par
dépôt de fibrilles de téflon, à chaud. Les canaux ainsi
formés permettent d’orienter des molécules de polymères
diacétyléniques.
La salle blanche de l'INSP a vocation à participer
activement à la formation aux nanotechnologies des
étudiants de l'Université Pierre et Marie Curie. C'est ainsi
que son fonctionnement est présenté aux stagiaires de
Licence ou de Master intégrés dans des équipes utilisant
habituellement cet équipement. Depuis la rentrée
universitaire 2006, des travaux pratiques en salle blanche
font partie du cursus obligatoire de certains étudiants du
Master Professionnel "Laser, Matériaux et Milieux
Biologiques".
157
Informatique
Le service informatique de l’INSP a été constitué lors de
la création de l’institut autour des équipes informatiques
des laboratoires ayant rejoint l’institut avec l’apport d’un
nouvel ingénieur d’études.
Cette équipe, élargie à d’autres membres de l’institut, a
mené une réflexion afin de déterminer les orientations et
priorités à mettre en œuvre rapidement pour le bon
fonctionnement de l’INSP.
Il a été décidé de répondre aux besoins suivants :
•
Gestion du réseau interne à l’institut en étroite
collaboration avec l’équipe réseau du CCRE de
Jussieu.
•
Gestion des courriels des personnels de l’INSP.
•
Pérennité des données avec mise en place d’un
espace de stockage sécurisé accessible depuis
tout poste de travail.
•
Soutient aux utilisateurs autour d’un ensemble
informatique hétérogène.
•
Mise en place d’un serveur Web, assistance
technique, et suivi de l’évolution des sites
internet et intranet.
Il a été mis à la disposition de l’équipe de
communication
un
serveur
Web
de
développement qui n’est transféré sur le
serveur de production qu’après validation.
•
Un service permettant de se connecter sur le
réseau interne de l’INSP depuis l’extérieur afin
de pouvoir utiliser les services purement
internes (VPN).
•
Pour l ‘échange de gros fichiers un service a été
installé sur un serveur dédié afin que chaque
utilisateur puisse proposer ou recevoir des
fichiers via un pseudo serveur FTP anonyme.
Afin de simplifier la gestion des comptes des différents
serveurs de l’institut, un annuaire LDAP est en phase
d’installation. Il permettra aussi la centralisation
d’informations propres à l’INSP, destinées à alimenter les
différents rapports d’activités et également le site web.
Un serveur d’applications sous Windows est en cours
d’installation pour permettre aux utilisateurs l’accès
occasionnel à certains logiciels scientifiques souvent
coûteux.
Un comité des utilisateurs de l’informatique a été mis en
place pour réfléchir aux évolutions nécessaires tant en
termes de matériels que de services afin de répondre aux
besoins des personnels de l’INSP.
Après le choix et l’acquisition de nouveaux serveurs, ces
services ont été rapidement opérationnels. D’autres
services ont été développés :
•
•
Un WebMail associé à un WebFTP permettant
d’accéder depuis tout point Internet à son
courriel et à ses fichiers stockés sur le serveur
de sauvegarde.
158
Annexes
Annexe 1 Organisation du laboratoire :
1.1. Organigramme général au 31/07/2007
159
1.2 Organigramme scientifique 2009-2013
160
1.3 Organigramme technique à la date du 31/07/ 2007
Soutien technique aux équipes
•
Equipe I.1 – Nanostructures et systèmes quantiques (R. Grousson)
Bourgeois Charlotte, IE2 ; Menant Michel, IE2
•
Equipe I.2 – Dispositifs quantiques contrôlés : nanofabrication, propriétés électroniques et
magnétiques (D. Roditchev)
Debontridder François, IR2
•
Equipe II.1 – Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces (V. Etgens,
I.Vickridge)
Briand Emrick, IE2 ; Demaille Dominique, IE1 ; Eddrief Mahmoud, IR HC ; Tancrez Hervé, IE2
•
Equipe II.2 – Physico-chimie des surfaces fonctionnelles (B. Croset)
Limagne Denis, IE1 ; Royer Sébastien, AI
•
Equipe II.3 – Oxydes en basses dimensions (J. Jupille)
Chenot Stéphane, AI ; Vuye Gérard, IR1
•
Equipe II.4 – Dynamique des interfaces (G. Faivre)
Picard Christian, IE2
•
Equipe II.5 – Dissipation et relaxations aux interfaces (T. Baumberger)
Lantheaume Alexandre, AI (départ 01/09/2007)
•
Equipe II.6 – Des agrégats aux surfaces, couches minces et nanostructures : Perturbations
dynamiques fortes (D. Vernhet)
Mérot Jacques, IE1
•
Equipe III.1 – Acoustique, optique et thermique ultra-rapides dans les nano-systèmes (B. Perrin)
Charron Eric, IE2 ; Gohier Roger, IE1 ; Hébert Christian, AI ; Vincent Serge, IR2
•
Equipe III.2 – Couches minces et nanostructures pour l’optique et l’opto-électronique
(J.M. Frigerio, B. Gallas)
Chenot Stéphane, AI ; Fisson Serge, IE1 (départ 07/09/2007) ; Naud Claude, IR1 ; Vuye Gérard, IR1
•
Equipe III.3 – Propagation électromagnétique en milieu hétérogène – Applications (J. Lafait)
Charron Eric, IE2
Soutien technique global
•
Administrateur
Vuye Gérard, IR1
•
Secrétariat Général
Bonnet Natalia, AI ; Guezo Valerie, ADT ; Melois Myriam, AST
•
Gestion Financière
Caron Christelle, SASU ; Collin Lucdivine, T (au 01/01/2008) ; Guezo Valerie, ADT ; Martin Elisabeth, TCS ; Melois
Myriam, AST
•
Communication
Dematteis Catherine, IR2 (50% à l’INSP); Martin Elisabeth, TCS
•
Bibliothèque
Gertler Françoise, TCN (50% à l’INSP)
•
Informatique-Web
Camps Philippe, IE2 (50%) (départ le 01/09/2007) ; Fisson Serge, IE1 (départ le 07/09/2007) ; Martin Elisabeth, TCS ;
Louis Monclaire, AI (au 01/09/2007)); Naud Claude, IR1 ; Poisson Corinne, IE2 (50% à l’INSP) ; Rey François, IE2
161
•
Electronique et interfaçage
Breton Françis, IE2 ; Lortigues Daniel, AI ; Majrab Silbe, AI ; Royer Sébastien, AI
•
Mécanique, Dessin, Conception
Démarets Bernard, IE2 ; Descarpentri Eric, TCS ; Joselon Jean-Pierre, TCE (depart 2007) ; Lantheaume Alexandre, AI
(depart 01/09/2007) ; Le Goas Alain, TCE ; Le Goas Yann, ADJT ; Lelong Chris, TCN ; Mérot Jacques, IE1 ; Pascal
Bernard, TCN ; Picard Christian, IE2 ; Rigaud Gilbert, AI ; Silembo Jules, TCS
•
Ateliers d’optique cristalline et de rayons X
Escudier Melanie, TCN ; Jacquet Michelle, AI ; Selmane Mohamed, TCN
•
Salle Blanche
Bourgeois Charlotte, IE2 ; Gohier Roger, IE1
•
Service Intérieur
Daulcle Ambroisine, AST ; Sampaio Marie, TCN
•
Magasin
Sampaio Louis, TCS
162
1.4 Equipe de direction
D. Vernhet, Y. Borensztein, R. Grousson, B. Perrin
1.5 Composition des conseils
•
Conseil de laboratoire
o
o
o
o
o
•
Commission des Personnels
o
o
•
Membre de droit : Claudine Noguera, directrice
Membres nommés :Yves Borensztein, Roger Grousson, Bernard Perrin, Dominique Vernhet, Agnès
Maître, Fabio Finocchi
Chercheurs et Enseignants chercheurs élus : Tristan Baumberger, Bernard Croset, Catherine
Gourdon, Emmanuelle Lacaze, Massimiliano Marangolo, Bruno Palpant, Dimitri Roditchev, Ian
Vickridge
ITA et IATOS élus : Eric Charon, Dominique Demaille, Michèle Jacquet, Christian Picard, Gérard
Vuye
Représentants des Thésards (invités) : Guillet Yannick, Reillon Vincent
Enseignants et chercheurs : Aline Brunet-Bruneau, Bernard Croset, Roger Grousson
ITA-IATOS : Michèle Jacquet, Christian Picard, Gérard Vuye
Commission Hygiène et Sécurité
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Claudine Noguera (Présidente),
Gérard Vuye (ACMO site Boucicaut),
Isabelle Trimaille (ACMO site Jussieu),
Bernard Demarets (machines tournantes),
Charlotte Bourgeois (Chimie / Salle blanche),
Bernard Perrin (utilisation des lasers / locaux),
Emrick Briand (Personne Compétente en Radioprotection – site Jussieu),
Denis Limagne (PCR – site de Boucicaut),
Michelle Jacquet (membre du CHS UPMC)
1.6 Correspondants
•
•
•
•
•
ACMO : Isabelle Trimaille (site Jussieu), Gérard Vuye (site Boucicaut)
Correspondant communication : Catherine Dematteis
Correspondant Compétences : Gerard Vuye
Correspondant Formation : Michel Menant
Correspondant Valorisation : Jean-Louis Thomas
163
Annexe 2 : Personnel permanent
2.1 Soutenances d’habilitation
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Mady Elias, 2003
Victor Etgens, 2004
Fabio Finocchi, 2004
Ian Vickridge, 2004
Emmanuelle Lacaze, 2005
Sami Rémita, 2005
Jean-Louis Thomas, 2005
Valia Voliotis, 2006
Geoffroy Prévot, 2007
Massimiliano Marangolo, 2007
Nadine Witkowski, 2007
Bruno Palpant, 2007
2.2 Promotions
•
•
•
CR2-CR1 : Y. Noat (2005), R. Lazzari (2006)
CR1-DR2 : D. Roditchev (2003), R. Grousson (2003), F. Finocchi (2005), I. Vickridge (2006), V. Etgens (2007), J.
Goniakowski (2007)
DR2-DR1 : J. Jupille (2003), J. Lafait (2004)
•
•
•
MC-PU2 : M. Chamarro (2004), N. Jedrecy (2006), V. Jeudy (2007)
PU2-PU1 : T. Baumberger (2005), J.-M. Frigerio (2006), W. Sacks (2007)
PU1-PU CE : B. Clerjaud (2006), P. Doussineau (2006)
•
•
•
•
•
•
•
•
AGT –AJT : V. Guezo (2006)
AJTP-T : M. Sampaio (2006)
TCn-TCs : J. Silembo (2005), L. Sampaio (2006)
T-AI : M. C. Bégot (2004), M. Jacquet (2004), S. Chenot (2005 sur concours)
AI-IE : B. Démarets (2004), C. Picard (2006), F. Breton (2005)
IE2-IE1 : D. Limagne (2003), J. Mérot (2007)
IE-IR : M. Jouanne (2004), C. Dematteis (2005, sur concours), I. Trimaille (2007)
IR2-IR HC : M. Eddrief (2003)
164
2.3 Mouvements
Grade
Chercheurs
Date
d’entrée
Employeur
Nom
Prénom
Ganot
François
CR1
CNRS
01/09/2003
Mutation
Jusserand
Bernard
DR2
CNRS
01/03/2004
Mutation
Bureau
Lionel
CR2
CNRS
01/10/2004
Recrutement
Goniakowski
Jacek
CR1
CNRS
01/10/2004
Mutation
Raison
Péronne
Emmanuel
CR2
CNRS
01/10/2005
Recrutement
Cren
Tristan
CR2
CNRS
01/11/2006
Recrutement
Stankic
Slavica
CR2
CNRS
01/10/2007
Recrutement
Trassinelli
Martino
CR2
CNRS
01/11/2007
Recrutement
Date de
départ
Raison
Leroux-Hugon
Patrick
DR2
CNRS
31/08/2003
Retraite
Pajot
Bernard
DR2
CNRS
31/08/2003
Retraite
Lavallard
Philippe
DR2
CNRS
12/02/2004
Retraite
Prieur
Jean-Yves
CR1
CNRS
31/08/2004
Retraite
Debrus
Solange
CR1
CNRS
01/11/2005
Retraite
Cohen
Camille
DR1
CNRS
14/11/2005
Retraite
Ghazali
Abdelwahab
DR2
CNRS
12/04/2006
Décès
Waysand
Georges
DR2
CNRS
01/05/2006
Retraite
Bras
Nicole
CR1
CNRS
08/08/2006
Décès
Kunc
Karel
DR2
CNRS
20/06/2006
Retraite
Date de
départ
Raison
01/10/2004
Retraite
Nom
Prénom
Grade
Enseignants-Chercheurs
Date
Employeur
d’entrée
Raison
Huynh
Agnès
MC
P6
01/10/2003
Recrutement
Fauré
Marie Claude
MC
P5
01/01/2004
Mutation
Goldmann
Michel
PU2
P5
01/01/2004
Mutation
Vidal
Franck
MC
P6
01/09/2004
Recrutement
Maitre
Agnès
PU2
P6
01/02/2005
Recrutement
D’Angelo
Marie
MC
P6
05/09/2005
Recrutement
Prigent
Christophe
MC
P6
01/10/2005
Recrutement
Perez
Florent
MC
P6
01/09/2006
Recrutement
Coolen
Laurent
MC
P6
01/09/2007
Recrutement
Abel
François
PR EM
P7
Rigo
Serge
PR CE2
P7
06/10/2004
Retraite
Gadenne
Mireille
MC HC
P11
15/12/2004
Retraite
Guilpin
Christian
MC HC
P7
01/10/2005
Retraite
Ortega
Camille
MC
P7
31/08/2006
Retraite
Rivoire
Michel
MC
P6
31/08/2006
Retraite
Siozade
Laure
MC
P6
31/12/2006
Mutation
Roulet
Bernard
PR EM
P7
31/12/2006
Retraite
Coste
Christophe
MC
P7
2007
Mutation
165
ITA
Nom
Prénom
Grade
Employeur
Date
d’entrée
Raison
Briand
Emrick
IE2
CNRS
01/12/2003
Recrutement
Majrab
Silbe
AI
CNRS
01/12/2003
Recrutement
Rey
François
IE2
CNRS
01/03/2004
Mutation
Rossignol
Charles-Henri
IE2
CNRS
04/10/2004
Mutation
Bonnet
Natalia
AI
CNRS
01/12/2004
Recrutement
Debontridder
François
IR2
CNRS
01/01/2005
Recrutement
Hébert
Christian
AI
CNRS
01/01/2005
Mutation
Dematteis
Catherine
IR2
CNRS
01/01/2006
Mutation
Pascal
Bernard
TCN
CNRS
01/09/2006
Mutation
Monclaire
Louis
AI
CNRS
01/09/2007
Mutation
Collin
Lucdivine
T
CNRS
01/01/2008
Mutation
IE
CNRS
01/01/2008
Recrutement
IR
CNRS
01/01/2008
Recrutement
Date de
départ
Raison
Trecul
Christine
AI
CNRS
31/12/2004
Mutation
Berrehar
Jeanne
IR1
CNRS
10/01/2005
Retraite
Lavernhe
Bernard
I2
IN2P3
07/02/2005
Tancrez
Hervé
AI
CNRS
15/07/2005
Retraite
Réussite
concours
Defourneau
Reine-Marie
AI
CNRS
28/09/2005
Retraite
Begot
Marie-Claire
AI
CNRS
02/02/2006
Retraite
Jouanne
Michel
IR2
CNRS
23/03/2006
Décès
Duvault
Jean-Louis
IE2
CNRS
15/06/2006
Retraite
Rossignol
Charles-Henri
IE2
CNRS
04/02/2007
Mutation
Parrot
Alain
AI
CNRS
02/03/2007
Retraite
Camps
Philippe
IE2
CNRS
01/09/2007
Mutation
Fisson
Serge
IE1
CNRS
07/09/2007
Retraite
Defourneau
Daniel
AI
CNRS
11/11/2007
Retraite
Date de
départ
Raison
05/01/2004
Décès
ITRF
Grade
Employeur
Date
d’entrée
Raison
Mohamed
TCN
P6
01/12/2004
Recrutement
Caron
Christelle
SASU
P6
01/09/2005
Mutation
Lelong
Chris
TCN
P6
01/03/2006
Mutation
Tancrez
Hervé
IE2
P6
01/12/2006
Recrutement
Melois
Myriam
AST
P6
01/05/2007
Mutation
IE
P6
01/12/2007
Recrutement
Lemal
Michel
T
P6
Nom
Prénom
Selmane
Fayt
Laurence
Gohier
Noëlle
IE2
P6
01/01/2006
Retraite
ADJT
P6
01/06/2006
Mutation
Guigner
Jean-Michel
IE2
P6
01/06/2006
Mutation
Rézé
Marie-Thérèse
AGT
P6
01/06/2006
Retraite
Chaste
Liliane
AST
P6
25/04/2007
Retraite
Joselon
Jean-Pierre
TCE
P7
2007
Retraite
Lantheaume
Alexandre
AI
P7
01/09/2007
Mutation
166
2.4 Liste nominative des Chercheurs CNRS (au 31/07/2007)
Nom
Akamatsu
Amsel
Barthou
Bonello
Borensztein
Bureau
Caroli
Combescot
Cren
Croset
Duquesne
Etgens
Faivre
Fave
Finocchi
Gallas
Ganot
Goniakowski
Gourdon
Grousson
Jupille
Jusserand
Kanehisa
Lacaze
Lafait
Lazzari
Lemaistre
Noat
Noguera
Péronne
Perrière
Perrin
Prévot
Roditchev
Schott
Stankic
Testelin
Thomas
Trassinelli
Vernhet
Vickridge
Prénom
Silvère
Georges
Carlos
Bernard
Yves
Lionel
Christiane
Monique
Tristan
Bernard
Jean-Yves
Victor
Gabriel
Jean-Louis
Fabio
Bruno
François
Jacek
Catherine
Roger
Jacques
Bernard
Makoto
Emmanuelle
Jacques
Rémi
Jean-Pierre
Yves
Claudine
Emmanuel
Jacques
Bernard
Geoffroy
Dimitri
Michel
Slavica
Christophe
Jean-Louis
Martino
Dominique
Ian
Von Bardeleben
Zheng
Jurgen
Yun-Lin
Statut
CR1
DR émérite
CR1
CR1
DR2
CR2
DR émérite
DR1
CR2
DR2
CR1
DR2
DR2
CR1
DR2
CR1
CR1
DR2
CR1
DR2
DR1
DR2
CR1
CR1
DR1
CR1
CR1
CR1
DR1
CR2
DR2
DR2
CR1
DR2
DR émérite
CR2
CR1
CR1
CR2
DR2
DR2
Section/Evaluation
05
05
04
05
04
11
05
06
06
05
05
05
05
05
05
04
05
05
06
06
14
06
06
05
04
05
05
06
05
05
05
05
05
06
05
14
06
08
04
04
05
HDR
DR2
CR1
05
05
X
X
167
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
2.5 Liste nominative des Enseignants-chercheurs (au 31/07/2007)
Nom
Andraud
Barisien
Baumberger
Belliard
Bernardot
Berthier
Bottin-Rousseau
Brunet-Bruneau
Cantin
Chamarro
Clerjaud
Coolen
Coste
D’Angelo
Depondt
Doussineau
Fauré
Frigerio
Ganem
Gendron
Goldmann
Grosman
Huynh
Jedrecy
Prénom
Christine
Thierry
Tristan
Laurent
Frédéric
Serge
Sabine
Aline
Jean-Louis
Maria
Bernard
Laurent
Christophe
Marie
Philippe
Pierre
Marie-Claude
Jean-Marc
Jean-Jacques
François
Michel
Annie
Agnès
Nathalie
Jeudy
Vincent
Lamour
Emily
Lapersonne *
Claudette
Legrand
Laurent
L’Hoir
Alain
Maitre
Agnès
Marangolo
Massimiliano
Palpant
Bruno
Perez
Florent
Pluchery
Olivier
Prigent
Christophe
Prot
Dominique
Rahbi-Bouanani
Rania
Rivory
Josette
Ronsin
Olivier
Roussel
Joseph
Rozet
Jean-Pierre
Sacks
William
Schmaus
Didier
Vidal
Franck
Voliotis
Valia
Witkowski
Nadine
* directrice de l’IUFM de Paris
Statut
MC
MC
PU1
MC
MC
PU1
MC
MC
MC
PU2
PU CE
MC
MC
MC
MC
PU CE
MC
PU1
MC
MC
PU2
MC
MC
PU2
PU2
MC
PU1
MC
PU1
PU2
MC
MC
MC
MC
MC
MC
MC
PR émérite
MC
MC
PU1
PU1
PU2
MC
MC
MC
168
Tutelle
P6
IUFM Paris
P7
P6
P7
P7
P6
P6
P6
P6
P6
P6
P7
P6
P6
P6
P5
P6
P6
P6
P5
P6
P6
P6
Université Cergy
Pontoise
P6
P7
P6
P7
P6
P6
P6
P6
P6
P6
IUFM Paris
Amiens
P6
P7
P7
P6
P6
P7
P6
Evry
P6
HDR
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
2.6 Liste nominative des ITA et IATOS (au 31/07/2007)
Nom
Bonnet
Bourgeois-Perez
Breton
Briand
Camps
Caron
Charron
Chenot
Collin
Daulcle
Debontridder
Defourneau
Demaille
Démarets
Descarpentri
Dematteis
Eddrief
Escudier
Fisson
Joselon
Gertler
Gohier
Guezo
Hébert
Jacquet
Julien
Lantheaume
Le Goas
Le Goas
Lelong
Limagne
Lortigues
Majrab
Martin
Melois
Menant
Mérot
Monclaire
Morhange
Naud
Pascal
Picard
Poisson
Rey
Rigaud
Royer
Sampaio
Sampaio
Selmane
Silembo
Tancrez
Trimaille
Vincent
Vuye
Prénom
Natalia
Charlotte
Francis
Emrick
Philippe
Christelle
Eric
Stéphane
Lucdivine
Ambroisine
François
Daniel
Dominique
Bernard
Eric
Catherine
Mahmoud
Mélanie
Serge
Jean-Pierre
Françoise
Roger
Valerie
Christian
Michelle
Christian
Alexandre
Alain
Yann
Chris
Denis
Daniel
Silbe
Elisabeth
Myriam
Michel
Jacques
Louis
Jean-François
Claude
Bernard
Christian
Corinne
François
Gilbert
Sébastien
Louis
Marie
Mohamed
Jules
Hervé
Isabelle
Serge
Gérard
Statut
AI
IE2
IE2
IE2
IE2
SASU
IE2
AI
T
AST
IR2
AI
IE1
IE2
TCS
IR2
IR HC
TCN
IE1
TCE
TCN
IE1
AJT
AI
AI
IR1
AI
TCE
AJT
TCN
IE1
AI
AI
TCS
AJT
IE2
IE1
AI
IR1
IR1
T
IE2
IE2
IE2
AI
AI
TCS
TCN
TCN
TCS
IE2
IR2
IR2
IR1
169
Tutelle
CNRS
CNRS
CNRS
CNRS
CNRS – 50%
P6
P6
P6
CNRS
P6
CNRS
CNRS
CNRS
CNRS
P7
CNRS – 50%
P6
CNRS
CNRS
P7
P7 - 50%
P6
P6
CNRS
P6
P6
P7
P7
P7 – 50%
P6
CNRS
CNRS
CNRS
CNRS
P6
CNRS
P6
CNRS
P6
P6
CNRS
P7
CNRS - 50%
CNRS
CNRS
CNRS
CNRS
CNRS
P6
CNRS
P6
P7
CNRS
CNRS
2.7 La pyramide des âges Chercheurs – Enseignants-chercheurs
51/55
56/60
61/65
+ 66
51/55
56/60
61/65
+ 66
46/50
41/45
36/40
31/35
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24/30
Nombre de personnes
CH - ENS-CH à l'INSP 2007
Ages (ans)
46/50
41/45
36/40
31/35
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24/30
Nombre de personnes
CH - ENS-CH à l'INSP 2012
Ages (ans)
170
2.8 La pyramide des âges ITA – ITRF
51/55
56/60
61/65
+ 66
51/55
56/60
61/65
+ 66
46/50
41/45
36/40
31/35
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24/30
Nombre de personnes
ITA - ITRF à l'INSP 2007
Ages (ans)
46/50
41/45
36/40
31/35
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24/30
Nombre de personnes
ITA - ITRF à l'INSP 2012
Ages (ans)
171
Annexe 3 : Personnel non-permanent
3.1 Thèses soutenues
Nom - Prénom
Directeur de
Date
Mode de
Etablissement
ED de
Thèse
soutenance financement d'inscription rattachement
DEA ou
master
d'origine
Situation
professionnelle
SABOURIDORADAN
M. Marangolo
Amir Abbas
(G.Loupias)
Oct. 2003
Bourse
Iranienne
Univ. Paris 6
ED 0397
équivalent
de Sc.
Matériaux
Enseignant à
l'Université
(Iran)
PONS Y MOLL
Olivier
J. Perrière
16/10/2003
AR
Univ. Paris 6
ED 0397
Sc.
Matériaux
Privé
CARON Jérôme
J. Lafait
23/10/2003
AR
Univ. Paris 6
ED 0389
Optique et
Phot.
Privé
BLIN Delphine
J.J. Ganem,
(J. Durand)
Nov 2003
AR CEA
Université de
Montpellier
TRIBOLLET Jérôme
M. Chamarro
12/11/2003
AR
Univ. Paris 7
ED 0107
CHARTIER Céline
J.M. Frigerio
14/11/2003
BDI
Univ. Paris 6
ED 0389
A. L’Hoir
25/11/2003
AR
Univ. Paris 7
ED 0391
MARCIANO Régis
J.L. Thomas
13/12/2003
AR
Univ. Paris 6
ED 0391
BOTTIN François
C. Noguera
05/01/2004
AR
Univ. Paris 7
ED 0397
CASEK Petr
C. Noguera
30/01/2004
MORLAT Tomoko
LAMY Ronan
G. Waysand
W. Sacks
DUBIN François
COLLADANT Thierry
Privé
Phys.
Solides
Chimie
inorganiq.
Electronique
Acoustique
Phys.
Sc.
Matériaux
Phys.
Solides
Ch.Part.Mat
Ch.Part.Mat
Phys.
Solides
Sc.
Matériaux
Phys. Exp.
Atomes
Mol.
Postdoc
Privé
Privé
MC Paris 6
CEA
Privé
(Tchéquie)
Postdoc
inconnue
Univ. Orsay
ED 0107
30/01/2004
25/06/2004
co-tut. Rep.
Tchèque
AR
AC
Univ. Paris 6
Univ. Paris 6
ED 0381
ED 0381
R. Grousson
5/07/2004
BDI
Univ. Paris 6
ED 0107
OUERGHI Abdelkrim
V. Etgens
03/12/2004
Bourse
tunisienne
Univ. Paris 6
ED 0397
PRIGENT Christophe
D. Vernhet
07/12/2004
AR CEA
Univ. Paris 6
ED 0389
VALLEE Philippe
J.Lafait
R.Strasser
17/12/2004
Univ Paris 6 et
Genève
Bio
Moléculaire
DESS
Recherche
d’emploi
OKADA Takanori
C. Gourdon
14/02/2005
co-tutelle
UPMC+Univ.
Osaka
ED 0107
Master
Univ. Tokyo
Assistant à
l’Univ.
(Japon)
BENZERGA Ratiba
J. Perrière,
Déc 2005
AR
Université
d’Orléans
Sc.
Matériaux
MC (Univ.
Saint Brieux)
Optique et
Phot.
Assistant à
l’Univ.
(Taïwan)
Bourse
Fond.
Audier
Allocation
FranceJapon
(C.Leborgne)
KAO Chin-Cheng
J. Rivory
05/12/2005
Bourse
taïwanaise
Univ. Paris 6
ED 0389
BOURGEOIS Alexis
J. Rivory
13/12/2005
AR
Univ. Paris 6
ED 0397
MOUKETOU Stephen
S. Debrus
19/01/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0389
LABORDE Stéphane
B. Perrin
22/02/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0391
01/03/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0391
Univ. Paris 6
ED 0397
BIENVILLE Tatiana
B. Perrin
DEMORALES
Adriano
V. Etgens
Mars 2006
LIPINSKI Beatriz
V. Etgens
Mars 2006
co-tutelle
brésilienne
co-tutelle
brésilienne
172
Univ. Paris 6
Postdoc
Postdoc
MC Paris 6
Sc.
Matériaux
Optique et
Photonique
Acoustique
Phys.
Recherche
d’emploi
Acoustique
Recherche
d’emploi
Privé
Privé
Postdoc
Prof. de lycée
(Brésil)
VARALDA José
V. Etgens
Mars 2006
co-tutelle
brésilienne
UPMC +
Univ.
Brésilienne
ED 0397
PROSLIER Thomas
D. Roditchev
14/03/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0107
THOURY Mathieu
J.-M. Frigerio 16/03/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0389
HACQUART Romain
J. Jupille
19/05/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0397
ADROUCHE Nacer
J.-P. Rozet
29/09/2006
AC
Univ. Paris 6
ED 0389
GARCIA Vincent
V. Etgens
27/11/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0397
CHARLES Christine
B. Bonello
30/11/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0391
DAHMOUCHENE
Nora
J.-M. Frigerio
Déc. 2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0391
STENGER Ingrid
J. Rivory
13/12/2006
AR
Univ. Paris 6
ED 0389
S. Debrus
19/12/2006
Bourse
Iranienne
Univ. Paris 6
ED 0389
LE PEVEDIC
Séverine
D. Schmaus
16/02/2007
AR
Univ. Paris 6
ED 0389
AUBRY Emily
M. Chamarro
2/07/2007
AC
Univ. Paris 6
ED 0107
J. Von
Bardeleben
10/07/2007
Bourse
tunisienne
Univ. Paris 6
RASHIDI Majid
BEN MAHMOUD
Aroussi
AR - Allocation de Recherche
AC - Allocation Couplée
BDI - Bourse de Docteur Ingénieur
173
Master
Bresilien
Phys. Des
Solides et
des Milieux
Denses
Ingénieur
Ecole Sup.
d’Optique
Sc.
Matériaux
Gds
instruments,
Univ.
Paris 7
Sc.
Matériaux
Acoustique
Phys.
DESS
Laser, Mat.
Et Milieux
Biologiques
Optique et
Photonique
Postdoc
Postdoc
Ch. associé
(USA)
Privé
Recherche
d’emploi
Postdoc
Privé
Thèse
inachevée,
emploi dans le
privé
Postdoc
Postdoc
Phys. Exp.
Atomes
Mol.
Phys. Des
Solides et
des Milieux
Denses
Sc.
Matériaux –
Univ. Tunis
ATER
Enseignant au
lycée
Assistant à
l’Univ.
(Tunisie)
3.2 Thèses en cours (au 31/07/2007)
Nom
Prénom
Directeur
de thèse
Date
arrivée
Date de
soutenance
prévue
Mode de
financement
DEA ou master
d'origine
Tutelle
Numéro
Ecole
Doctorale
P6
0397
Ait Salah
Atemane
Gendron
01/02/2003
01/02/2006
MAE
Co-tutelle
Chimie de Matériaux à
Caractère Appliqué
(Maroc)
Baudouin
Michaël
Thomas
01/10/2004
01/10/2007
Contrat
Airbus
Mécanique
P6
0391
Bordier
Clémence
Lafait
01/10/2004
01/10/2007
ARM
Laser et Matière
P6
0389
Farha
Rana
Goldmann,
Lacaze
01/10/2004
01/10/2007
Bourse
libanaise
P6
0107
Ganjehi
Lili
Thomas
01/10/2004
30/09/2007
ARM
P6
0391
Guillet
Yannick
Perrin
01/10/2004
01/10/2007
ARM
P6
0107
Latour
Gaël
Frigerio
Elias
01/10/2004
01/10/2007
BDI
P6
0389
Melet
Romain
Grousson
01/10/2004
01/10/2007
ARM
P6
0389
Perrut
Mikaël
Faivre
01/10/2004
01/10/2007
BDI
Vodungbo
Boris
Zheng
01/10/2004
01/10/2007
Mantilla
Miguel
Jupille
01/11/2004
01/11/2008
ARM
Bourse
vénézuélienne
Itjoko
Serge
Lafait
01/03/2005
01/03/2008
Bourse
CIFRE
Abidi
Dorra
Fave
01/09/2005
1/09/2008
MAE
Pascual
Winter
Maria
Florencia
Jusserand
01/09/2005
01/09/2008
AC
Boulenguez
Julie
Berthier
01/10/2005
01/10/2008
Caramella
Lucia
Finocchi
01/10/2005
01/10/2008
Coustel
Romain
Borensztein
01/10/2005
01/10/2008
Dourlat
Dubost
Healy
Alexandre
Vincent
Erwan
Gourdon
Sacks
Vernhet
01/10/2005
01/10/2005
01/10/2005
01/10/2008
01/10/2008
01/10/2008
Khazen
Khashayar
Von
Bardeleben
01/10/2005
01/10/2008
Martina
David
Baumberger
01/10/2005
01/10/2008
Reillon
Vincent
Berthier
01/10/2005
01/10/2008
Zhang
Shuo
01/10/2005
01/10/2008
Rodriguez
Raul
Perrin
Jupille,
Lacaze
01/12/2005
01/12/2008
ARM
Sellame
Houda
Lacaze
01/01/2006
31/12/2008
MAE
174
Particules, noyaux
atomes et photons ;
(Lyon I)
Acoustique physique
Physique des solides et
des milieux denses
Ingénieur ENSPM
(Marseille)
Phys. Exp. Atomes
molécules
Matière Condensée,
Surfaces et Interfaces
(Lyon)
SMNO
P6
0107
P6
0397
Vénézuela
P6
0397
P6
0389
P6
0389
P6
0397
P6
0389
P6
0397
P6
0397
P6
P6
P6
0397
0397
0389
P6
0389
P6
0107
P6
0389
P6
0389
Vénézuela
P6
0397
Matière Organisée et
Systèmes Vivants
P6
0397
Laser, Matériaux et
Milieux Biologiques,
Univ. P7
Co-tutelle
Mastère en Physique
Quantique
(Tunis)
Co-tutelle
(Argentine)
ARM
Optique et Photonique
MAE +
Co-tutelle
bourse VINCI
Italie
Matériaux
AR IdF
MontpellierII
ARM
SMNO
AC
SMNO
ARM
Ondes Mat. Et Plasma
Propriétés Physiques
Bourse
Et Mécaniques des
iranienne
Matériaux
ARM
Physique des Liquides
Physique
ARM
fondamentale et
appliqué
ARM
LanzilottiKimura
Daniel
Perrin
18/09/2006
01/10/2009
Bourse
EIFFEL
Attia
Judith
Goldmann
01/10/2006
01/10/2009
ARM
Bardin
Lisa
Goldmann
01/10/2006
01/10/2009
Bourse de
SOLEIL
Magnain
Caroline
Elias,
Frigerio
01/10/2006
01/10/2009
Vion
Céline
Maître
01/10/2006
Fokin
Denis
Roditchev
Ainsebaa
Abdelmalek Fave
Cubukcu
Murat
SMNO
Science Matériaux Nano-Objets
ARM
Allocation Rechercher Ministère
AC
Allocation Couplée
MAE
Bourse du Ministère Affaires Etrangères
Von
Bardeleben
Co-tutelle
Argentine
DEA Matériaux et
Nano-Objets
P6
0391
P6
0397
SMNO
P6
0397
ARM
Matière et
Rayonnement
P6
0389
01/10/2009
ARM
P6
0389
02/11/2006
01/11/2009
MAE
Co-tutelle
Russie
P6
0397
01/12/2006
01/01/2010
AR IdF
SMNO
P7
0388
01/05/2007
01/05/2010
MAE
SMNO
P6
0397
175
3.3 Visiteurs longue durée, ATER et post-docs
Prénom
Céline
Fabien
Jenny
Tristan
Florent
François
Vincent
Aparna
Philippe
Amir
Zoran
Julius
Sami
Cynthia
Catherine
Tatiana
Statut
ATER
ATER
Postdoc
Postdoc
Visiteur
ATER
ATER
Visiteur
Visiteur
Postdoc
Postdoc
Visiteur
Visiteur
Postdoc
Visiteur
ATER
Equipe
III.2
II.6
II.3
I.2
I.1
I.1
III.2
II.3
II.2
I.2
II.6
II.1
II.2
I.1
II.1
III.1
Date arrivée
01/09/2003
01/10/2003
01/10/2003
01/11/2003
01/09/2004
01/10/2004
01/10/2004
01/01/2005
01/01/2005
01/01/2005
03/01/2005
28/01/2005
28/02/2005
18/04/2005
01/05/2005
01/09/2005
Date départ
31/08/2004
30/09/2004
01/10/2004
01/11/2004
31/08/2006
30/04/2005
01/09/2005
01/12/2005
Chaabane
Nihed
CH associé,
CNRS
II.3
05/09/2005
05/06/2006
Bergeal
Guesmi
Moreau
Sbai
Nicolas
Hazar
Julien
Nadia
ATER
ATER
ATER
ATER
I.2
II.2
III.2
III.2
01/10/2005
01/10/2005
01/10/2005
01/10/2005
30/09/2006
30/09/2006
30/09/2006
30/09/2006
Elias
Hoshino
Romanelli
Okbani
Zimmers
Bettaibi
Brunet
Saboundji
Pogosov
Le Pevedic
Bussetti
Eble
Abdelouahdi
Castiglione
Varalda
Godet
Geysermans
Madeleine
Yasushi
Marco
Zahira
Alexandre
Islam
Thomas
Amar
Valter
Séverine
Gianlorenzo
Benoit
Karima
Patrizia
José
Julien
Pascale
Visiteur
Postdoc
ATER
Visiteur
ATER
ATER
ATER
Postdoc
Postdoc
ATER
Postdoc
Postdoc
Visiteur
Postdoc
Postdoc
Postdoc
Visiteur
III.2
II.1
III.2
II.3
I.2
III.1
III.1
III.2
I.1
II.1
II.2
I.1
III.2
III.2
II.1
II.3
II.3
03/10/2005
25/11/2005
01/12/2005
01/01/2006
01/09/2006
01/09/2006
01/10/2006
01/10/2006
01/10/2006
01/10/2006
02/11/2006
01/12/2006
01/02/2007
01/03/2007
04/04/2007
01/05/2007
01/10/2007
31/08/2008
31/12/2007
30/09/2006
01/07/2007
31/08/2007
31/08/2007
31/08/2007
01/10/2007
01/10/2007
01/10/2007
02/11/2007
30/11/2007
30/09/2007
31/01/2008
04/09/2007
31/08/2007
Nom
Chartier
Haranger
Olander
Cren
Perez
Dubin
Reboud
Chakrabarti
Fontaine
Kohen
Pesic
Siejka
Remita
Aku-leh
Deville
Bienville
La date de départ n’est indiquée que pour les visiteurs de courte durée.
176
30/09/2005
01/01/2006
01/04/2007
31/08/2006
Annexe 4 : Rayonnement de l’INSP
4.1 Prix scientifiques
•
•
•
•
•
Catherine Gourdon: Materials Research Society Fall Meeting (Boston 2004). prix pour le meilleur manuscrit du
symposium
Vincent Jeudy, Palmes Académiques 2005
Roditchev D., Prix Louis Ancel, Société Française de Physique, 2003
Jacek Goniakowski : Prix Schieber, 2004
Prigent Christophe: Prix « Nathalie Demassieux » de la chancellerie des Universités de Paris – 2005
Doctorants :
François Dubin, Prix IUPAP Jeune Auteur, International Conference on the Physics of semiconductors, Vienne
•
2006
•
Lanzillotti Kimura Daniel, a reçu le prix R.W.B. Stephens lors de l'International Congress on Ultrasonics (Vienne
avril 2007)
ITA-ITRF :
•
En 2007, J. Mérot s’est vu décerner le CRISTAL du CNRS.
4.2 Intervention en enseignement de niveau M2
•
Master Sciences et Technologies de l’UPMC
o
Mention « physique et applications »

spécialité « Optique, Matière, Plasmas », responsable UPMC : A. Maître
•
parcours: "Optique et Photonique"
o Responsable UPMC : J. M. Frigerio
o « Introduction aux propriétés tensorielles des cristaux » F. Bernardot
o TP M. Marangolo
o TP de microscopie de champ proche N. Witkowski
o Pré-requis « Electromagnétisme » A. Maître
o Cours « Propriétés Optiques de la Matière Condensée » J. M. Frigerio
•
parcours « Physique Expérimentale des Atomes et des Molécules » cours « Physique
des ions très chargés » J. P. Rozet
•
parcours « Lasers, Matière, Matériaux Biologiques »
o Responsable A. Maître
o TP photonique : F. Bernardot
o Cours et TD informatique, cours « diffusion » : C. Andraud
o Cours « Optique des solides » : S. Berthier
o Cours « Lasers et Détecteurs » : A. Maître
o Cours « Propriétés optiques des couches minces » J. M.Frigerio
o Cours « Diffusion de la lumière » : C. Andraud
o TP salle blanche : L. Belliard
o TP ellipsométrie : A. Brunet-Bruneau
o Cours « Microscopie à effet tunnel » : W. Sacks
o TP « Microscopie à effet tunnel » : N. Witkowski, R. Coustel
o Cours « Microscopie à force atomique » : E. Lacaze
o TP « Microscopie à force atomique » : R. Rodriguez, R. Farha

spécialité « Science des Matériaux et Nano-objets »
•
« Physique des surfaces, STM » W. Sacks
•
« Bases de physique de la matière condensée »F. Finocchi
•
TP physique des surfaces M. Marangolo
•
TP de microscopie de champ proche N. Witkowski

spécialité « Concepts fondamentaux de la physique » ; Parcours : « Physique des Solides » ;
cours sur la « cohérence quantique dans les systèmes de basse dimension » : D. Roditchev
o Mention : « Science de l’ingénieur »

spécialité : « mécanique et ingéniérie des systèmes » ; parcours : « Acoustique Physique »
•
Cours : « application des ultrasons en thérapie « : J. L. Thomas
•
Cours « acoustique dans les solides anisotropes ; piezoélectricité» et « acoustooptique » B. Perrin

spécialité « Micro et nano systèmes » ; cours : « caractérisation des composants à
semiconducteurs », TP salle blanche à l’ESIEE : I. Trimaille
177
•
•
•
•
•
•
•
•
Master « Science et management » de l’UPMC, spécialité « Statistique et finance », parcours : « simulation » ;
cours, TD et TP de simulation : P. Depondt
Master « Rayonnement Energie » de l’Université Paris 11
o Mention « Physique et application »

spécialité « Rayonnement Energie »
•
parcours « Physique et Technologie des grands Instruments » responsable J. P. Rozet
Master « Sciences et Technologies » de l’Université de Cergy Pontoise, Mention « Sciences de la vie et de la
matière », Spécialité « Matière organisée et systèmes vivants » : M. Goldmann
Polytech'Paris-UPMC, Ecole d'ingénieurs diplomés :
o encadrement de projets et séminaires en 5ème année : J. J. Ganem
o spécialité « Matériaux »

cours 5ème année "Propriétés électroniques : des matériaux massifs aux nano-objets" : N.
Jedrecy
Préparation à l’Agrégation de Chimie (centre interuniversitaire-ENS Ulm, Paris VI, Paris VII, Paris XI-,
Montrouge) responsable UPMC A. Maître, Préparation à l’épreuve de « montages expérimentaux » A. Maître, A.
Huynh, F. Vidal
Responsable de la mobilité internationale et correspondant ERASMUS pour la Physique, niveau Master. Contact
Persons of EUPEN (European Pysics Education Network) à l'UPMC : M. Marangolo
ESPCI :
o cours « microtechnologie et physique du composant »
Master de physique Paris 7

spécialité « Systèmes dynamiques, statistiques et matière complexe »
•
parcours: « Physique théorique des systèmes complexes »
o cours « Mesurer en physique légère » : T. Baumberger
178
La formation permanente à l’INSP
La formation permanente représente une opportunité pour chaque agent de continuer à acquérir des compétences
tout au long de sa vie professionnelle et pour le laboratoire d’enrichir son soutien technique en cohérence avec ses évolutions
thématiques et ses nouveaux équipements. C’est pourquoi, la direction de l’INSP y est très attentive. Elle a nommé un
correspondant formation (Michel Menant) et a souhaité la création d’une ligne budgétaire propre à la formation.
L’actualisation annuelle du plan de formation rassemble, sur la base d'une enquête menée par courriel et, dans certains cas, à
partir des entretiens annuels d’activité, les nouvelles demandes des agents et des équipes pour les années à venir.
De manière générale, les formations suivies au cours des années passées ont permis de nouvelles prises de
responsabilités ainsi que des changements ou élargissements dans les missions confiées. Elles ont apporté aussi la possibilité
d’utiliser de nouveaux matériels, de mieux gérer l’environnement informatique, technique et scientifique. Le bilan est
largement positif pour l’INSP. On trouvera ci-dessous quelques statistiques, présentées sous forme graphique, qui montrent la
répartition des formations suivies entre les différentes tutelles du laboratoire ainsi que leur répartition par famille de
formation pour la période 2004-2007.
Répartition des formations par organisme
organisateur
Répartition des formations par type
25
70
64
21
20
Nombre de personnes
50
40
30
23
20
20
10
3
18
16
15
12
10
9
8
6
5
4
2
0
iv
er
s
D
C
ul
tu
re
sc
Te
ie
ch
nt
ni
i fi
qu
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In
e
fo
sp
rm
é
at
ci
iq
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-R
s
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Bu
re
M
a
an
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ne
en
et
t-e
s
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éc
ca
ur
ci
ité
té
pe
rs
on
ne
lle
(2
1%
)
2%
)
ex
té
rie
ur
es
Fo
rm
at
io
ns
P
ar
is
D
id
er
ot
(
(3
%
)
6
ar
is
P
U
ni
ve
rs
it é
ve
rs
it é
U
ni
C
N
R
S
/P
6
C
N
R
S
/P
7
(5
6%
(1
8%
)
)
0
La
ng
ue
s
Nombre de personnes
60
En ce qui concerne les années à venir, une attention particulière devra être portée à la prévision de formation. En
effet, le laboratoire a récemment acquis de nombreux appareillages utilisant de nouvelles technologies. D’autre part, la
période qui s’annonce verra le départ à la retraite de 20 ITA-ITRF, sur un total de 51, qui atteindront ou dépasseront 60 ans
avant fin 2012. Il faudra donc assurer au mieux la transmission des savoir-faire et la formation des nouveaux agents, qu’ils
soient recrutés en externe ou par mobilité interne. Les paragraphes qui suivent décrivent les différents domaines qui nous
paraissent particulièrement importants pour le laboratoire.
Dans le domaine de la mécanique, on se trouve confronté à l’évolution des matériaux utilisés ainsi que la
complexité des projets pour la réalisation d’expériences. Ces projets demandent à être réalisés par des moyens non
conventionnels, tels que l’usinage sur machine à commande numérique dont l’acquisition a été demandée dans le cadre de la
tranche des crédits de réinstallation pour l’année 2007 et dont l’utilisation nécessitera une formation pour plusieurs
mécaniciens.
Toujours au niveau technique, l’institut a une forte demande de formation en électronique, analogique comme
numérique. Un aspect important dans l’évolution des techniques expérimentales concerne l’automatisation des expériences et
les besoins d’interfaçage expérience-ordinateur qui l’accompagnent. De plus en plus, également, les équipes souhaiteraient
pouvoir piloter leurs expériences à distance.
Compte tenue de l’évolution scientifique et technique, les chercheurs de l’INSP s’intéressent à de nombreux aspects
des nanosciences, notamment à l’élaboration de nanofilms, de nanomatériaux, de nano objets, à la structuration et la
caractérisation de surfaces à l’aide d’une large panoplie de techniques de spectroscopie et de microscopie, au contrôle optique
d’états électroniques, vibrationnels ou de spin dans des nanostructures et nano-objets. Le laboratoire est par ailleurs doté
d’équipements expérimentaux mi-lourds (accélérateur, source d’ions multichargés, bâtis de MBE, microscopie STM sous
champ magnétique à très basse température, plates formes d’optique ultrarapide). Un très gros effort d’acquisition et de
développement de nouveaux équipements est intervenu durant l’actuel plan quadriennal qui a fait surgir la nécessité de
nouvelles compétences au laboratoire.
179
Des équipements ont été acquis pour la salle blanche de l’INSP dont, en 2007, un dispositif de photo lithogravure
UV permettant de réaliser des structures et motifs avec une résolution de 0.6µm. Un accroissement des capacités de cette
salle blanche interviendra également lors du retour à Jussieu. Des besoins en formation sont donc nécessaires pour rendre
accessibles ces nouveaux moyens à des agents de l’INSP qui pour l’instant n’interviennent pas encore en salle blanche. Des
besoins accrus en maintenance de salle blanche (225 m2 prévus sur le campus Jussieu) sont également à prévoir.
Un SESAME obtenu en 2003 et des crédits de réinstallation ont permis d’augmenter le nombre de dispositifs
d’optique ultrarapide. Ils sont dotés de nouvelles générations d’oscillateurs femtoseconde, d’OPO, OPA permettant
l’accordabilité sur une large étendue spectrale. L’utilisation optimale de ces sources pour permettre des spectroscopies à deux
couleurs ou le développement de nouvelles techniques d’acquisition (détection asynchrone) requiert de nouvelles formations
pour les ingénieurs, chercheurs et étudiants en thèse intervenant sur ces dispositifs.
Au niveau de la gestion du laboratoire, l’évolution des techniques informatisées, autant que les perspectives de
quelques départs à la retraite à terme pointent la nécessité de formations à XLAB, et à la gestion du personnel. De plus, un
poste d'administrateur vient d'être créé en interne au laboratoire. La mise en place de ce poste nécessite des formations
spécifiques pour l'agent CNRS concerné.
L’évolution rapide de l’informatique et la mise en place du nouveau site WEB de l’INSP nécessite un suivi
constant, d’où une forte demande de stages de formation aux réseaux, aux outils de gestion de site Web et aux matériels de
micro-informatique.
L’institut est aussi demandeur de stages de formation aux divers risques rencontrés dans ses locaux. Les questions
de sécurité sont au cœur de ses préoccupations, surtout lorsque des jeunes sont impliqués. En particulier, en raison du grand
nombre de lasers de puissance dans l’institut et du nombre important d’utilisateurs, il serait très utile que nos tutelles mettent
en place une solide formation sur la prévention des risques laser dans nos montages expérimentaux.
Enfin, on notera que les personnels de l’INSP sont très motivés pour participer à des actions de formation
permanente en tant qu’intervenants ou organisateurs : « Journées de Simulation Numérique », ateliers thématiques organisés
par le GDR « Couleur et matériaux à effets visuels », formation proposée par le GDR « Or-Nano », formation sur « Cristaux
Massifs et Dispositifs pour l’Optique », écoles de Cargèse (« Son et Lumière », « Micro et Nanothermique »). En outre
quelques stages en tutorat ont été proposés à la délégation régionale pour d’éventuels personnels intéressés aux techniques de
spectroscopie d’émission X, aux techniques acoustiques par laser, ou aux techniques expérimentales de la spectroscopie
infrarouge.
180
Rapport hygiène et sécurité 2005-2007
Issu du regroupement en 2005 de tout ou parties de 4 laboratoires de physique (GPS, LOS, LMDH et LMCP),
l’INSP a atteint aujourd’hui sa vitesse de croisière. Les locaux de notre institut sont actuellement répartis sur deux sites : le
campus de Boucicaut (environ 90% des personnes) et celui de Jussieu (environ 10% des personnes) et cette situation a
entraîné la nomination d’un ACMO par site. Sur le plan de la sécurité, suite aux travaux dus à la présence d’amiante sur le
Campus de Jussieu, l’obligation qui nous a été faite, pour la grande majorité de l’institut, de rejoindre des locaux situés sur
l’ancien site de l’Hôpital Boucicaut a d’emblée facilité l’application des règles d’hygiène et de sécurité. En effet, ces locaux
ont été aménagés et réhabilités en fonction des nouvelles règles de sécurité en vigueur en 2003, en particulier les salles
d’expériences où, de plus, nos demandes spécifiques d’aménagement dites « de sécurité » ont été prises en compte, en
particulier pour les salles lasers, les salles de chimie et pour les ateliers.
Il n’en demeure pas moins que la sécurité se traduit essentiellement en termes de prévention, de travaux de sécurité
et de gestion des produits dangereux et il appartient à chacun de veiller à la stricte application des règles de sécurité et de
veiller aussi à la sécurité des autres.
C’est une des raisons pour laquelle la direction de l’INSP a souhaité, en plus de la présence statutaire de deux
ACMOs, s’entourer d’un groupe de travail dénommé « Commission Hygiène et Sécurité ».
Cette commission ad hoc, approuvée en conseil de laboratoire le 18 mars 2005, n’est en aucun cas une commission
officielle vis à vis de nos tutelles. Elle est juste composée de personnes désireuses de mettre à la disposition de la
communauté leurs compétences pour l’application des règles d’hygiène et de sécurité à l’INSP.
Elle est présidée par le directeur du laboratoire et constituée de 9 personnes comprenant, outre les deux ACMO de
l’INSP, six personnes sélectionnées pour
- leurs expertises sur le risque laser, le risque machines tournantes, le risque chimique,
- leurs compétences (personnes compétentes en radioprotection - PCR),
- leurs rôles dans les instances de nos tutelles (membre d’un CHS par exemple).
En 2007, sa constitution est la suivante :
Claudine Noguera (présidente)
Gérard Vuye (ACMO site Boucicaut)
Isabelle Trimaille (ACMO site Jussieu)
Bernard Demarets (machines tournantes)
Charlotte Bourgeois (chimie / salle blanche)
Bernard Perrin (utilisation des lasers / locaux)
Emrick Briand (personne compétente en radioprotection - site Jussieu)
Denis Limagne (personne compétente en radioprotection - site Boucicaut)
Michelle Jacquet (membre du CHS UPMC)
Ce groupe de travail n’a pas de mode de fonctionnement formalisé mais il peut être saisi et se réunir à la demande
plusieurs membres du laboratoire pour étudier tout problème lié à l’hygiène et/ou à la sécurité. Une réunion s’est tenue en
février 2006 suite à un accident du travail qu’il était nécessaire d’analyser et dont il fallait tirer des enseignements. Le compte
rendu de cette réunion figure sur l’intranet de notre site WEB. Une autre réunion s’est aussi tenue avec la participation de la
responsable du Service Hygiène et Sécurité de l’UPMC et de l’inspecteur Régional Hygiène et Sécurité de la Délégation
Régionale (Paris B) du CNRS pour préparer la rédaction du « document unique ».
En effet, dans le cadre de la prévention des risques à l’UPMC, l’INSP a été sélectionné avec 50 autres services ou
laboratoires de physique par le CHS de l’Université Paris 6 pour être l’une des unités test pour la rédaction du « document
unique ». Ce document, élément obligatoire au terme de la loi d’une politique de prévention, regroupe l’évaluation des
risques professionnels pour tous les laboratoires et services. Il permet d’éviter les risques par une identification des dangers
présents dans nos locaux et par l’établissement d’un programme annuel d’action de prévention. Comme l’INSP a une grande
partie de ses locaux provisoirement délocalisée sur le site de l’ancien hôpital Boucicaut, nous avons décidé de ne pas rédiger
un « document unique » complet. Néanmoins, et afin de faciliter l’établissement du document final pour le retour à Jussieu, il
a été décidé d’avancer sa rédaction en établissant des fiches par « pièces types » rencontrées dans notre institut. Ces pièces
types sont : Atelier de mécanique (risque machine tournantes), salle d’optique laser (risque laser), salle d’expérience sous
vide (risque pression), accélérateur d’ions (risque rayonnement ionisant), salle rayons X (risque rayonnement ionisant), salle
RPE (risque champ fort), salle de chimie (risque chimique).
Dans ce document figurent les éléments d’information concernant l’inventaire des risques liés à nos activités ainsi
que le programme annuel d’actions de prévention associé. On y trouve aussi les risques propres à notre présence sur le
campus de Boucicaut et ceux relatifs aux expériences restées à Jussieu où le campus est en chantier.
Pour le site de Boucicaut on notera les points particuliers suivants :
- l’importance des risques sanitaires dus essentiellement aux fréquentes inondations en cas de fortes pluies et à la
présence de nombreux pigeons nichant dans les bâtiments.
- un risque très important d’électrocution (lié à l’activité électrique pendant les orages) a été écarté par le mise à la
terre correcte des paratonnerres sur tous les bâtiments grâce à nos demandes réitérées, allant jusqu’à une lettre du Directeur
de l’INSP au président de l’UPMC,
- d’autres risques sont aussi à signaler et touchent à la sécurité des personnes en cas de sinistre : malgré nos
multiples demandes, les blocs de secours dans les couloirs ne fonctionnent pas tous correctement, les issues de secours
débouchent sur des portes fermées à clé et ne sont donc pas aux normes et aucun exercice d’évacuation n’a jamais été
organisé sur le site de Boucicaut.
181
En ce qui concerne le Campus de Jussieu, les travaux de rénovation de l’université génèrent des conditions de
travail déplorables : les coupures d’eau et d’électricité sont nombreuses et entraînent des dégradations importantes du
matériel scientifique dont les réparations restent à la charge du laboratoire ; le chantier est générateur de bruit, vibrations et
poussières qui sont très préjudiciables au bon fonctionnement de nos expériences et qui sont très difficile à supporter
physiquement par les expérimentateurs.
Enfin, on notera les risques sanitaires importants en rapport direct avec l’humidité, la saleté et l’état d’hygiène
déplorable des locaux situés en sous-sol : présence de moustiques, de détritus, odeurs putrides,….
D’une manière plus générale, les quelques points importants qui ont marqué le contrat quadriennal en cours sont :
- En début d’année 2005, une visite d’une partie de l’INSP (celle qui correspond à l’ancien LOS) a été effectuée en
présence de l’ingénieur régional de prévention et sécurité, CNRS Paris B, d’un médecin du service de médecine de
prévention de l’UPMC, d’un responsable de service hygiène et sécurité de l’UPMC et de l’ACMO de l’INSP. Cette visite a
donné lieu à un rapport et à des recommandations qui ont toutes été prises en compte. En particulier une expérience de
cathodoluminescence déclarée dangereuse a été arrêtée et démontée.
- En juin 2006 et suite à un accident de la circulation pendant ses congés, un mécanicien, IE CNRS à l’INSP, a
demandé une étude (en termes de contraintes posturales) de son poste de travail par l’ingénieur régional de prévention et
sécurité du CNRS Paris B et par un médecin du service de médecine de prévention de l’UPMC. Cette étude a conduit à des
travaux d’aménagement d’une fraiseuse dont le coût a été pris en charge par le service social du CNRS Paris B.
- Chaque année, nous nous préoccupons de l’accueil des nouveaux entrants en organisant une demi-journée
d’information générale pendant laquelle les informations spécifiques aux règles d’hygiène et de sécurité sont rappelées par
l’ACMO. Un livret à l’usage des nouveaux arrivants, distribué à cette occasion, résume les informations générales
essentielles (dont celles en rapport avec l’hygiène et la sécurité)
- En début d’année 2007 un important effort de signalétique a été entrepris. Une enquête menée par l’ACMO du
site de Boucicaut a permis de recenser dans chaque local expérimental tous les dangers potentiels (chimique, vide, haute
tension, gaz comprimé, …) ainsi que la présence de produits dangereux (produits chimiques, gaz toxiques, …). Comme suite
à cette enquête, des affichettes personnalisées, assorties de pictogrammes, sont en cours d’élaboration pour être apposées sur
chaque porte.
- Depuis 2005, et pour le besoin du montage de nouvelles expériences, des travaux de protection des personnes ont
été entrepris et financés par le laboratoire, en particulier pour l’achat et la pose de sas, de chicanes, de rideaux ou de cloisons
de protection contre les faisceaux de lasers de puissance et les rayonnements ionisants.
- En ce qui concerne la gestion des produits dangereux, une action importante a été entreprise pour organiser le
recensement et le stockage des produits chimiques. De plus, une information très précise concernant les risques rencontrés
lors de la manipulation des produits chimiques les plus couramment utilisés à l’INSP a été mise en place : les fiches
toxicologiques de ces produits ont été mises à disposition de tous les personnels de l’INSP sur notre site WEB interne. Enfin
un accord a été passé avec l’Université pour la collecte biannuelle des déchets chimiques qui sont entreposés en attente dans
une soute ventilée spécialement aménagée à cet effet.
Deux registres « Hygiène et Sécurité » sont à la disposition de tous les agents de l’Institut. L’un sur le Campus
Boucicaut dans le bureau de la logistique à l’entrée du site, l’autre sur le Campus Jussieu dans les locaux de SAFIR. Aucune
inscription ne figure dans aucun des deux registres pour la période 2005-2007.
Pour l’ensemble de l’INSP, nous avons déclaré sept accidents du travail pendant la période de référence : quatre
sont arrivés sur le lieu de travail habituel et concernent des lésions aux bras et aux jambes (chute, projection d'acide,
coupures) ; un autre est un traumatisme crânien léger arrivé sur un lieu de travail occasionnel ; les deux derniers sont des
accidents de trajet (entorses de la cheville).
Pour résumer, l’INSP est un institut de recherche qui utilise de multiples techniques instrumentales dont certaines
peuvent présenter des dangers (lasers de puissance, vide, cryogénie, chimie, rayonnements ionisants, usinages mécaniques,
…). C’est une des raisons pour laquelle sa direction, qui accorde beaucoup d’importance à la mise en œuvre et à l’application
des règles d’hygiène et de sécurité, a souhaité s’entourer d’un groupe de spécialistes attentifs à ces risques. Heureusement,
nous n’avons eu aucun accident grave à signaler et nous espérons que, malgré notre délocalisation actuelle et les problèmes
qui en découlent, la rédaction en cours du « document unique » et son analyse permettront de dresser l’inventaire le plus
exact possible des risques et des actions de préventions liés à nos activités. Nous travaillons à préparer, dans les meilleures
conditions de sécurité, notre retour dans nos nouveaux locaux sur le campus de Jussieu à l’horizon 2009-2010.
182
Les équipements du laboratoire au 31 juillet 2007
Les annotations NE et DL désignent respectivement tout appareillage acquis (NE) ou développé (DL) au laboratoire depuis juillet
2003.
1. Méthodes optiques non résolues en temps
1.1 À une longueur d’onde
• Microscopie Kerr sous champ magnétique à température variable (Catherine Gourdon)
Utilisation : imagerie de domaines magnétiques basée sur l’effet Kerr magnéto-optique.
Descriptif : un cryostat (Axesstech) NE à pilier inséré dans une bobine magnétique dont le champ est de 60 mT (en
préparation, bobine supraconductrice avec un champ de 6 T) ; une caméra CCD Andor à intensificateur de brillance.
• Dispositif de réflectivité, transmission et luminescence en champ magnétique (Christophe Testelin)
Utilisation : mesures optiques en configuration Voigt et Faraday, sous champ magnétique (maximum 8 T).
Descriptif : un cryostat Oxford Instrument Spectromag 9000 NE équipé de bobines supraconductrices splitées ; un
spectromètre Jobin Yvon triaxe 320 équipé d’un détecteur CCD refroidi à l’azote liquide.
• Diffusion de la lumière (Laurent Legrand)
Utilisation : mesure de la taille et de la masse molaire d’objets submicroniques par diffusion de la lumière de type élastique
et/ou quasi-élastique.
Descriptif : un goniomètre BI200SM Brookhaven ; un autocorrélateur BI900AT Brookhaven et un laser Krypton Stabilité
2017 Spectra Physics.
• Diffusion de la lumière (Jacques Lafait)
Utilisation : cartographie instantanée, à une longueur d’onde, de la répartition spatiale et de l’état de polarisation de la
lumière diffusée par un échantillon hétérogène en surface et/ou en volume.
Descriptif : Diffusomètre ELDIM NE.
1.2 Spectroscopiques
• Banc de mesures optoélectroniques nanoseconde (Jean-Louis Fave)
Utilisation : mesures électriques et spectroscopiques rapides sur des échantillons maintenus dans des environnements
contrôlés (vide, gaz, température).
Descriptif : un laser d’excitation N2 et un laser à colorants à la nanoseconde ; détections électrique ou optique (spectromètre +
CCD ou photomultiplicateur) ; un cryostat ou platine chauffante pour microscope.
• Ellipsométrie spectroscopique (Jean-Marc Frigerio, Bruno Gallas)
Utilisation : détermination des indices réels et des épaisseurs de films minces ou de l’indice complexe de matériaux massifs.
Descriptif : un ellipsomètre DUV-visible à polariseur tournant GESP4 de SOPRA monté sur un goniomètre ; un ellipsomètre
DUV-VIS-NIR, WoolamNE équipé d’un compensateur tournant, d’un goniomètre automatisé, d’une petite enceinte pour faire
des mesures en température (-196°C – 600°C) sous atmosphère contrôlée et de microspots pour réaliser des mesures sur des
petites surfaces (100µm²).
• Spectroscopie de déflexion photothermique (Bruno Gallas)
Utilisation : détermination des faibles coefficients d’absorption dans les gammes spectrales : 250 nm – 800 nm et 600 nm –
1700 nm.
Descriptif : deux bancs optiques de mesure de la déflexion photothermique en fonction de la longueur d’onde de la lumière
excitatrice.
• Ellipsomètre spectroscopique infrarouge à angle variable à transformée de Fourier (Aline Brunet-Bruneau)
Utilisation : détermination de la fonction diélectrique complexe de matériaux soit massifs, soit en couche mince.
Descriptif : un ellipsomètre à polariseur fixe et à analyseur mobile (VASE FTIR model 3 -SOPRA) fonctionnant à des
nombres d'onde compris entre 650 et 5150 cm-1, avec un intervalle variant de 2 à 16 cm-1 ; un goniomètre commande
l’ensemble analyseur-détecteur et assure une variation continue de l’angle d’incidence de 45 à 90°.
• Goniospectrophotomètre portable DL (GOSPEL) (Mady Elias)
Utilisation : identification non-destructive sans contact in situ des pigments, colorants, mélanges de pigments et vernis des
oeuvres d'art par spectrométrie de réflexion diffuse, spectrométrie de fluorescence et goniophotométrie. Quantification des
états de surface (par goniophotométrie).
Descriptif : lampe halogène Phase Optic et LED-UV Nichia ; fibres optiques Ocean Optics ; goniomètre en configuration de
rétrodiffusion avec vernier Microcontrole Newport ; spectromètre Avantès monté sur un pied photographique + rotule de
rotation + table de translation Manfrotto ; contrôle et acquisition de données par ordinateur portable.
• Spectrophotométrie UV-VIS-NIR (Jacques Lafait)
Utilisation : détermination des propriétés optiques linéaires (n, k) de matériaux solides (couches minces ou matériaux
massifs) par la mesure de leur transmission et réflexion spéculaires dans la gamme spectrale : 0.2µm – 3µm, avec une
résolution de 0.05nm.
Descriptif : Spectrophotomètre UV-VIS-NIR double faisceau (CARY 5, société Varian).
• Gonio spectrophotométrie (Jacques Lafait)
Utilisation : mesures spectrales résolues en angle de la transmission et de la réflexion diffuses d’un matériau réalisées à
longueurs d’onde fixées et angle variable ou inversement pour l’étude de la diffusion sélective de la lumière.
183
Descriptif : Double-goniomètre à fibres optiquesDL couplé à un système spectrophotométrique.
• Microspectrophotométrie NE (Serge Berthier)
Utilisation : caractérisation microscopique d’échantillons d’origine biologique ainsi que de matériaux pour la couleur.
Descriptif : microspectrophotomètre monté sur la colonne d’un microscope optique Olympus et préparation des échantillons
assuré par un microtome (Diatome, Leica).
• Porosimètre Spectroscopique Optique (PSO) NE (Aline Brunet-Bruneau)
Utilisation : suivi optique sur une large gamme spectrale de l’adsorption et de la désorption isothermes de vapeurs organiques
dans des couches minces poreuses à une température et une pression de vapeur données.
Descriptif : deux chambres UHV (analyse et introduction) et deux spectromètres in situ permettant d’effectuer simultanément
des mesures ellipsométriques (370-1000 nm) à un angle d’incidence de 75° et des mesures de réflexion en incidence normale
à l’aide d’un spectromètre infrarouge à Transformée de Fourier (370- 7500 cm-1) ; un spectromètre de masse est associé à ce
montage.
• Luminescence (Charles Barthou)
Utilisation : réalisation de spectres d’excitation et d’émission, ainsi que des mesures des durées de vie des émissions (de 10ns
à la seconde) de 4K à 550K.
Descriptif : excitations avec laser azote, laser à colorant, deux diodes laser continues/pulsées, laser Argon , laser TitaneSaphir, lampes Xe et Hg et générateurs d’impulsions électriques. Analyse avec un Fluorolog-3, monochromateur HR460
couplé à un détecteur, monochromateur TRIAX 320 avec un détecteur PD ; des cryostats sont associés à ce dispositif.
• Spectroscopie Raman résolue en angle sous champ magnétique (Bernard Jusserand)
Utilisation : mesures des excitations électroniques de très basse énergie en situation de forte résonance électronique.
Descriptif : un laser accordable Ti-Sa (Coherent Innova 400); un spectromètre à triple monochromateur DILOR XY800
couplé à un détecteur CCD Jobin Yvon NE; cryostats à bain d’hélium pompé NE, DL.
• Spectroscopie Raman à excitation accordable (Jean Louis Fave)
Utilisation : spectroscopie Raman (UV -Vis -IR) sur échantillons liquides et solides.
Descriptif : un spectromètre Raman double domaine spectral 0....1,5 µm. Excitation : raies lasers Argon
colorants auxquels est associé un cryostat.
NE
et un laser à
• Spectroscopie Raman (Jean-François Morhange)
Utilisation : spectroscopie Raman
Descriptif : un laser à Argon Spectra Physics modèle 2025 ; un laser Krypton Spectra Physics 2025 ; deux lasers à colorants
Coherent CR590 ; cryostats à circulation d’hélium, à bain ou à température variable ; un spectromètre constitué d’un double
monochromateurs Jobin Yvon, Focale 1000 mm couplé à un microscope avec un objectif longue frontale. Fonctionnement en
mode additif en détection « monocanal » ; détection multi-canal par photomultiplicateurs : S20 9658 (EMI), GaAs (RCA),
comptage de photons Jobin Yvon.
• Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (Bernard Clerjaud)
Utilisation : mesure de transmission couvrant une gamme spectrale de 5 à 50 000 cm-1 avec une résolution de 0,02 cm-1 à une
température comprise entre 1,5 et 300 K.
Descriptif : deux interféromètres Bomem DA3+ et DA8, couplés à des cryostats.
• Spectroscopie infrarouge (Christian Julien)
Utilisation : mesures de la transmission et de la réflexion spéculaire ainsi que de la réflexion diffuse.
Descriptif : un spectrophotomètre Bruker IFS 113v de gamme spectrale entre 10 -11000 cm-1, de résolution maximale, 0.05
cm-1, équipé d’un cryostat hélium à température variable 6 – 300 K. Possibilité d’utilisation d’un microscope dans la gamme
400 – 4000 cm-1 en transmission et réflexion.
• Spectrophotomètre CARY 5000 NE (Thierry Barisien, Laurent Legrand)
Utilisation : mesure d'absorption UV-Visible-proche Infra rouge ; température variable de 10 K à l'ambiante.
Descriptif : un spectrophotomètre Varian, modèle CARY 5000 associé à un cryostat à flux d'hélium.
• Dispositif de z-scan nanoseconde (Bruno Palpant)
Utilisation : mesure des non-linéarités optiques du 3ème ordre
Descriptif : un banc comprenant un laser nanoseconde Nd:YAG doublé en fréquence, un laser à colorants, un oscilloscope
numérique rapide.
184
2. Méthodes optiques résolues en temps
• Spectroscopie picoseconde (Valia Voliotis)
Utilisation : microphotoluminescence résolue en temps et imagerie par balayage chromatique de l’excitation sur des nanoobjets uniques.
Descriptif : un laser solide (Millenia Spectra Physics) associé à un OPO (laser Titane Saphir Mira – Spectra Physics) et à des
doubleurs couvrant tout le domaine de longueurs d’onde du visible et délivrant des impulsions picosecondes; un spectromètre
imageur (Jobin Yvon Triax 550) couplé à une caméra CCD (InGaAs Jobin Yvon) refroidie à l’azote liquide et à une camera à
balayage de fenteNE ; un cryostat prototype à quatre accès optiquesNE, DL.
• Dispositif pompe sonde résolue en temps (Maria Chamarro)
Utilisation : étude de la dynamique de spin sous champ magnétique en configuration Faraday, basée sur l’effet Kerr magnétooptique.
Descriptif : un ensemble laser (Titane Saphir Mira 900 Coherent) fournissant des impulsions pico et femto seconde avec un
taux de répétition compris entre 80MHz et 2KHz (sélecteur d’impulsion Coherent).
• Optique non-linéaire NE, DL (Bruno Palpant)
Utilisation : études de dynamique d’optique non linéaire
Descriptif : un banc pompe-sonde complet comprenant un laser femtoseconde titane-saphir et un amplificateur régénératif 5
kHz ; un amplificateur paramétrique optique; un dispositif de génération de continuum de lumière blanche ; une ligne à
retard ; un interféromètre de Sagnac ; un spectromètre imageur et une caméra CCD.
3. Méthodes acoustiques et thermiques
• Acoustique picoseconde conventionnelle (Bernard Perrin)
Utilisation : réalisation d’expériences d’acoustique ultra-rapide.
Descriptif : un dispositif pompe/sonde utilisant un oscillateur Ti:Saphir fonctionnant en configuration de réflexion ou
transmission acoustique sur une plage de température (4 K - 300 K) avec un délai pompe-sonde pouvant atteindre 13ns NE.
• Dispositif d’acoustique picoseconde dédié à la microscopie NE, DL (Laurent Belliard)
Utilisation : études acoustiques avec résolution temporelle et spatiale du signal (image 100*100 µm2) – résolution des images
500nm
Descriptif : un dispositif pompe/sonde construit à partir d’un oscillateur Ti:Sa accordable (700-900nm) ; délai pompe-sonde
12.5ns ; cryostat 3 – 300 K pour miscroscope.
• Laser ultrasonique (Bernard Bonello)
Utilisation : production et détection d’ondes élastiques de surface pour des fréquences inférieures à 20 MHz ou supérieures à
quelques centaines de MHz.
Descriptif : un laser YAG délivrant des impulsions de 8ns ; un interféromètre de Michelson (construit à partir d’un laser HeNe) pour la détection des déplacements de surface.
• Transport thermique / dispositif 3ω DL (Jean-Yves Duquesne)
Utilisation : mesure de la conductivité thermique dans les matériaux massifs et en couche mince entre 10 K et 300 K.
Descriptif : un générateur BF et RF de haute pureté spectrale ; une électronique de détection d'harmoniques (pont différentiel,
détection synchrone) ; une enceinte thermostatée ; un cryostat à circulation d'He.
• Microscope acoustique (Jean-Yves Duquesne)
Utilisation: caractérisation locale des ondes de Rayleigh. Imagerie des propriétés élastiques. Imagerie des défauts en surface
et en profondeur (fissures, défauts d'adhésion, délamination...).
Descriptif: un générateur HF (10 MHz - 1 GHz) ; une électronique de puissance (amplificateur...) ; une électronique de
détection faible bruit ; des déplacements motorisés 3 axes (résolution 1 µm) ; des lentilles acoustiques (100 - 600 MHz).
• Banc d’acoustique non linéaire (Jean-Louis Thomas)
Utilisation : façonnage de fronts d’onde et d’hydrophones pour la détection
Descriptif : une cuve à laquelle est associé un réseau de 128 transducteurs pilotés par une baie électronique
• Banc de sonoluminescence NE, DL (Jean-Louis Thomas)
Utilisation : réalisation d’expériences de sonoluminescence sur une bulle unique
Descriptif : dispositif doté de transducteurs pilotés par une baie électronique NE pour focaliser des impulsions ultrasonores
supplémentaires lors de l’implosion de la bulle.
• Calorimétrie différentielle à balayage (Michel Schott )
Utilisation : analyse thermodynamique par des mesures isothermes ou sous température variable (1K/heure à 99K/minute) ;
déterminations d'enthalpies, de températures de transitions de phase, de valeurs de Cp, de chaleurs de polymérisation.
Descriptif : calorimètre différentiel programmé (DSC111 de SETARAM) avec une gamme de température de 150K à 875K ;
Sensibilité : 5 mW pleine échelle à 20W pleine échelle.
185
4. Analyses locales et études des surfaces
4.1 Microscopies à champ proche
• Microscope tunnel ultra-vide basse température M2 DL (Yves Noat, François Debontridder)
Utilisation : étude par spectroscopie tunnel des supraconducteurs conventionnels et hautes Tc.
Descriptif : sas d’introduction équipé d’un canon à ion NE ; STM fonctionnant de 2.5 à 300K, en champ magnétique (jusqu’à
6T).
• Microscope tunnel ultra-vide très basse température M3 NE,DL (Tristan Cren, François Debontridder)
Utilisation : étude par spectroscopie tunnel de dispositifs quantiques (nano-fils, plots supraconducteurs) élaborés in situ.
Descriptif : chambre de préparation de surface (canon à ion, triple évaporateur, LEED/Auger), STM fonctionnant de 0,3 à
300K en fort champ magnétique (jusqu’à 10T).
• Microscope STM-AFM PARK NE (Geoffroy Prévot)
Utilisation : étude de surfaces de métaux sous ultravide.
Descriptif : un microscope STM/AFM fonctionnant sous ultra-vide, à température ambiante. Les échantillons et les pointes
peuvent être transférés sous UHV.
• Microscope STM-AFM sous ultra-vide. (Nadine Witkowski)
Utilisation : étude de l’adsorption de molécules organiques sur différents types de substrats et caractérisation structurale
d’assemblages supramoléculaires auto organisés
Descriptif : microscope à effet tunnel et à force atomique fonctionnant à température ambiante (Omicron STM1), installé
dans une enceinte UHV et couplé à une chambre de préparation de surface de semiconducteurs et à une chambre de dépôt de
molécules organiques, équipées de spectroscopies optiques d’étude des surfaces.
• Microscope AFM-STM à temperature variable NE (Rémi Lazzari)
Utilisation : études des propriétés électroniques des surfaces dédiées à la croissance de films d’oxydes d’orientation polaire
sur substrats métalliques et de nanoparticules métalliques sur supports oxydes.
Descriptif : microscope de type Omicron VT-SPM fonctionnant en environnement ultra-vide et dans la gamme de 30K à
800K en conditions d’imagerie ; chambre de préparation comprenant four, canon à ions et évaporateur ; suivi in situ par
réflectivité différentielle UV-visible.
• Microscope STM (Max Marangolo)
Utilisation : étude des surfaces des structures hybrides métaux magnétiques/semiconducteurs et des oxydes magnétiques.
Morphologie du front de croissance et structure atomique et électronique de la surface
Descriptif : microscope de type Omicron VT-SPM fonctionnant en environnement ultra-vide et dans la gamme de 50K à
600K en condition d'imagerie ; couplé aux bâtis de croissance (II-VI; III-V et Oxydes) par épitaxie par jets moléculaires et au
bâti de photoémission X.
• Microscope AFM (Jacques Lafait)
Utilisation : réalisation d’images de topographie sur des matériaux isolants, en modes "contact" ou "non contact, tapping
mode".
Descriptif : microscope à force atomique "Autoprobe CP Park Instruments (VEECO)" équipé d’une tête de mesure STM
pour réaliser des mesures de surfaces sur matériaux conducteurs.
• Nanoscope IIIa multimode (Emmanuelle Lacaze)
Utilisation : études de surface « haute-résolution » ou « grande échelle », à l’air ou en milieu liquide.
Descriptif : AFM VEECO en tapping mode (avec mode magnétique et mode électrostatique) et mode contact. STM bas
courant (descendant jusqu’au picoampère) avec 3 céramiques piézo-électriques différentes.
• Nanoscope IIIa Dimension 3100 (Emmanuelle Lacaze)
Utilisation : études de surface, avec possibilité d’études exhaustives de grands échantillons, à l’air ou en milieu liquide.
Descriptif : AFM VEECO en mode "contact" et "tapping mode" avec possibilité d’études de grands échantillons (D >1.2 cm);
déplacement motorisé de la pointe (au micron près) pour déterminer la zone de balayage ; visualisation de la pointe et de la
surface par un microscope optique associé à une caméra.
4.2 Autres techniques d’analyse des surfaces
• Microscope de champ proche optique (Laurent Belliard)
Utilisation : études acoustiques et thermiques résolues en temps.
Descriptif : transformation d'un microscope commercial de type Auto Probe CP Park en un dispositif de champ proche
optique adapté à des expériences pompe sonde.
• Microscope optique Leica (Emmanuelle Lacaze):
Utilisation : études du signal optique d’un échantillon en mode imagerie.
Descriptif : 3 objectifs (x10, x20 et x50) et caméra couleur reliée à un ordinateur ; mode “réflexion” et “transmission” ;
possibilité de fonctionnement entre polariseur et analyseur d’orientations variables.
186
• Profilomètre (Jacques Lafait)
Utilisation : mesure de profils de rugosités (profils 2D_images 3D) de surface de matériaux durs, sur plusieurs mm, par
déplacement latéral d'une pointe de diamant.
Descriptif : Profilomètre TENCOR P10 (la résolution verticale de l'ordre de 0.1nm).
• Spectromètre RPE – UHV NE, DL (Jean Louis Cantin)
Utilisation : étude des surfaces, de leur défauts, de leurs reconstructions et de leur réactivité notamment vis a vis de
l'adsorption de gaz.
Descriptif : un spectromètre Bruker ER200 avec une extension (SurfER) permettant l'étude d'un échantillon placé sous ultra
vide ou atmosphère contrôlée. Extension SurfER: chambre UHV polyvalente ; vide limite 10-11mbar ; chauffage de
l'échantillon par passage de courant ; évaporateurs ; vanne de fuite et ligne de gaz ; LEED.
• Spectromètre HREELS NE (Rémi Lazzari)
Utilisation : analyse en énergie et en direction les électrons diffusés par une surface irradiée par un faisceau d’électrons
monocinétiques pour sonder la plupart des excitations de basses énergies dans les oxydes.
Descriptif : un spectromètre de type LK-2000, constitué de deux analyseurs cylindriques à 127° et d’un monochromateur
mobile (résolution ultime de ∼5meV) ; la chambre du spectromètre est connectée via des cannes de transfert à une chambre
de préparation (recuit, bombardement, spectroscopie Auger, optique de surface, évaporateurs) et un sas d’introduction rapide.
• Diffractomètre à électrons lents SPA-LEED (Bernard Croset)
Utilisation : étude des structures à grandes périodes (quelques nanomètres) apparaissant à la surface de monocristaux
Descriptif : installé sur une chambre ultra vide comportant un triple évaporateur, un canon à ion et un spectromètre Auger, ce
diffractomètre d’électrons lents a une résolution meilleure que 10-2 Å-1. Ce bâti est connecté à une chambre comportant le
STM-AFM Park et à une chambre de réactivité ; un spectromètre de masse est associé à cet équipement.
• Spectroscopie de réflectivité différentielle de surface (SDRS) (Yves Borensztein)
Utilisation : mesure in-situ de la réponse optique de surfaces cristallines, sous ultra-vide ou sous pression gazeuse contrôlée,
pendant l'adsorption de molécules ou la croissance de couches ultra-minces ou de nanoparticules.
Descriptif : spectroscopie optique visible / proche-ultraviolet (1.2 eV-5.5 eV), basée sur un détecteur multicanaux permettant
des études cinétiques.
• Spectroscopie de réflectivité anisotrope (RAS) (Yves Borensztein)
Utilisation : mesure de l'anisotropie de réflectivité d'une surface anisotrope d'un cristal. La RAS dépend fortement des
reconstructions de surface et de la présence d'adsorbats.
Descriptif : spectroscopie optique visible / proche-ultraviolet (1.2 eV-5.5 eV), basée sur un modulateur de polarisation,
utilisée sous vide, et en milieux gazeux ou aqueux.
• Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier NE (Olivier Pluchery)
Utilisation : mesure les vibrations de molécules adsorbées ou les phonons dans les cristaux ou les couches minces. Permet
d'analyser l'adsorption de molécules sur des surfaces, leur orientation, les liaisons internes aux molécules et avec le substrat.
Descriptif : spectromètre infrarouge Bruker adapté à un bâti ultra-haut vide et à une cellule pour les milieux liquides.
• Balances de Langmuir NE (Michel Goldmann)
Utilisation : relevé d’isothermes tension de surface –densité de surface d’un film (généralement une monocouche organique)
déposé sur une sous-phase liquide.
Descriptif : balances à barrière symétrique ou asymétrique avec des taux de compression allant de 3 a 9. Certaines peuvent
fonctionner sous atmosphère contrôlée afin d’induire des réactions chimiques spécifiques au niveau de l’interface.
• Microscope à Angle de Brewster (BAM) (Michel Goldmann)
Utilisation : observation de domaines de l’ordre de la dizaine de m2 formé par une couche d’épaisseur nanométrique à la
surface de l’eau.
Descriptif : BAM à taux de compression de 3.8 qui peut travailler sous atmosphère contrôlée. Il fonctionne en plein champ
(sans balayage) avec une surface d’observation exploitable de 600x50 m2.
• Générateur à anode tournante (Michel Goldmann)
Utilisation : études de diffraction X rasante sur des liquides
Descriptif : un générateur X à anode tournante d’une puissance de 60kVx200mA, à anticathode de cuivre ; la dimension de la
source est de 1 cm par 0.1 mm (grande dimension dans la direction horizontale) ; un diffractomètre (DIFLIQ) NE en
provenance du LURE est couplé au générateur.
4.3 Analyses des interfaces résolues en temps
• Banc d'observation en temps réel de fronts de solidification transparents massifs (DIRSOL) DL (Gabriel Faivre)
Utilisation : destiné au suivi spatio-temporel de fronts de solidification d’alliages multiphasés transparents massifs.
Descriptif : banc de solidification directionnelle d’échantillons de section rectangulaire (0,5x7mm), couplé à un microscope
longue-distance Questar QM100 NE. Observation du front en vue oblique en fond noir. Résolution spatiale d'environ 2 µm.
Gamme de vitesse de solidification : 0,01-100 µms-1.
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• Banc d'observation en temps réel de fronts de solidification métalliques minces DL (Gabriel Faivre)
Utilisation : destiné au suivi spatio-temporel de fronts de solidification d’alliages multiphasés métalliques minces
Descriptif : banc de solidification directionnelle d’échantillons minces sous microscope métallographique équipé d’un
dispositif de rotation de l’échantillon en cours de solidification. Gamme de vitesse de solidification : 0,01-100 µms-1.
• Nanorhéotribomètre NE, DL (Lionel Bureau)
Utilisation: permet d'étudier la réponse sous cisaillement de liquides ou solides confinés en épaisseur nanométrique entre
deux parois solides dans une large gamme de pressions et déformations nominales.
Descriptif: enceinte étanche, équipée de positionneur x-z ; interféromètre multi-ondes et caméra CCD 2D. Appareillage
conçu sur le principe d'une machine à forces de surface.
5. Technique à base de faisceaux d’ions
5.1 Systèmes d’Analyses par faisceaux d’Ions Rapides (SAFIR)
• Accélérateur 2.5 MeV et ses lignes de faisceaux (Ian Vickridge)
Utilisation : différentes applications reliées à l’analyse d’échantillons par faisceaux d’ions rapides
Descriptif : accélérateur électrostatique de type Van de Graaff, de tension maximale de 2.5 MV, équipé pour la production en
routine de faisceaux de 1H, 2H, 3He et 4He, de diamètre 0.5-4mm sur cible. La machine se distingue par son excellente
stabilité en énergie (dispersion en énergie pouvant être inférieure à 200eV), et par son système de balayage automatique en
énergie permettant le profilage en profondeur de composition à l'aide de résonances nucléaires étroites (NRP). Les 6
chambres d'analyses comprennent deux chambres polyvalentes (RBS, NRA, PIXE, ERDA), une chambre en vide poussée
(10-8 mbar) équipée pour traitements sous gaz in-situ, une chambre goniométrique pour des études de canalisation de
particules, une chambre goniométrique en technologie ultra-vide équipée de traitements et diagnostiques de surfaces (canon à
ions, LEED/Auger).
• Dispositif MEIS NE, DL (Ian Vickridge)
Utilisation : mesures très précises des toutes premières couches par diffusion des ions d’énergie « moyenne »
Descriptif : une chambre en technologie ultra-vide (actuellement en cours d'installation) équipée d'un détecteur
électrostatique de particules à très haute résolution en énergie (DE/E=3x10-3), un goniomètre à température variable, un sas
d'entrée rapide.
5.2 Analyse résolue en temps de l’interaction particules-matière
• SIMPA et sa ligne de faisceau associée NE,DL (Dominique Vernhet)
Utilisation : production de faisceaux intenses d’ions lourds multichargés (typiquement de N à Xe) d’états de charge allant de
7+ à 23+ et d’énergie comprise entre l’eV et qqs keV/uma pour des études de structure atomique ou de la dynamique
d’interaction à des échelles de temps de l’ordre de la femtoseconde.
Descriptif : source d'Ions Multichargés de PAris de type ECRIS (NANOGAN - Pantechnik) acquise conjointement avec le
LKB. La source est équipée d’une ligne de faisceau ultra -vide (10-11 mbar), avec décélération jusqu’à 1 eV, quadrupole de
masse, aimant de tri, solénoïde de focalisation et divers éléments d’optique ionique ; un microscope STM/AFM ultra-vide
PARK est associé à cet équipement.
• Système de jet d'agrégats de gaz rares NE,DL (Christophe Prigent)
Utilisation : production d’agrégats de taille variable entre 100 et 106 atomes par agrégats avec possibilité de moduler la
densité moyenne du jet pour l’étude de la dynamique d’interaction avec des lasers intenses ou des ions multichargés.
Descriptif : source d’agrégats libres de gaze rare (Ar, Kr, Xe) avec sa chambre d'expansion, diverses buses de condensation
conique, une vanne pulsée, plusieurs types d’écorceurs et un système de pompage puissant.
• Spectromètre d'ions NE,DL (Emily Lamour)
Utilisation : détermination de la distribution d’états de charge et de la perte d’énergie des ions projectiles après la collision
avec une résolution en énergie meilleure que le %
Descriptif : un analyseur électrostatique à 127°, deux channeltrons et une anode résistive équipée de deux « multichannel
plates ».
• Ensemble de spectromètres X (Dominique Vernhet- Jean Pierre Rozet)
Utilisation : détermination de sections efficaces absolues d’émission X de 1keV à 50 keV, pour une large gamme de taux
d’émission et pour des résolutions allant de la centaine d’eV à l’eV.
Descriptif : 4 détecteurs semi-conducteurs incluant 2 de toute nouvelle génération NE fonctionnant sous vide poussé ; 2
spectromètres cristallins DL équipés de cristaux plans mosaïques ou parfaits NE et de détecteurs à localisation ; un système
d’acquisition type GANIL NE permettant de faire des multicoïncidences rapides.
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6. Autres méthodes d’analyse des matériaux
• Spectromètre de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE) Bande X (François Gendron)
Utilisation : permet d’effectuer des expériences de résonance paramagnétique électronique ainsi que des expériences de
résonance ferromagnétique dans les gammes de fréquences 9-9.5 GHz et 35 GHz.
Descriptif : un spectromètre Varian monté sur un électroaimant permettant de monter jusqu’à 2,5 T, dans la bande 9-9.5
GHz ; un cryostat introduit dans la cavité résonante permet de travailler entre 3,5 K et la température ambiante.
• Spectromètre RPE multifréquences. Photo-RPE. (Jürgen von Bardeleben)
Utilisation : étude des défauts dans les solides et études des propriétés magnétiques des solides par résonance
ferromagnétique.
Descriptif : un spectromètre Bruker ESR300 ; sources 10 et 35 GHz (bande X et bande Q) ; cryostats à température variable
4...300K ; un laser Ar permettant l'excitation optique in-situ de l'échantillon.
7. Élaboration des couches minces et nano matériaux
• MBE oxydes (Victor Etgens)
Utilisation : bâti de croissance de couches minces d’épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma.
Descriptif : ensemble de multi-chambres ultra-vide comprenant une chambre de croissance pour les composants semiconducteurs II-VI à base de sélénium et une chambre de croissance pour les composants semi-conducteurs III-V à base
d’arsenic ; ensemble relié sous ultravide avec une chambre de métallisation, une chambre de croissance d’oxydes ainsi qu’à
deux chambres de caractérisation des surfaces et interfaces (une avec la spectroscopie de photoémission et une avec un
microscope à champs proche). Contrôle in situ sous ultravide et à température variable de la morphologie des couches et de
leurs propriétés magnétiques par effet Kerr magnéto-optique NE.
• Croissance de couches minces pour l’optique (Bruno Gallas)
Utilisation : évaporation par canons à électrons de sources solides (oxydes, semiconducteurs) sous UHV ; contrôles et
caractérisations associés in situ.
Descriptif : deux canons permettent d’évaporer alternativement ou simultanément deux matériaux et un canon à ions permet
de modifier les propriétés structurales des matériaux. Mesures ellipsométriques spectroscopiques en temps réel en cours de
croissance. La chambre de croissance est couplée à une chambre de spectroscopie de photoémission (XPS, UPS)
• Enceintes ablation Laser (Jacques Perrière)
Utilisation : croissance épitaxiale de films et multicouches d'oxydes de composition complexe et de propriétés très variées.
Descriptif : un laser Nd:YAG BMI ; deux enceintes indépendantes (850°C) pouvant travailler sous atmosphère contrôlée ; un
système multicibles (3) équipe l'une des enceintes qui permet la formation de films monocomposites (nanocristaux
semiconducteurs ou métalliques dans une matrice d'oxyde).
• Bâti de fabrication de couches organiques. Enceinte MAPLE (Jacques Perrière)
Utilisation : formation de films de matériaux organiques d'épaisseur uniforme, de faible rugosité par ablation laser de cibles
composites (molécules organiques ou polymères dans un solvant) solidifiées par réfrigération.
Descriptif : Laser Nd:YAG QUANTEL couplé à une enceinte d'ablation laser de type MAPLE.
• Bâti d’élaboration de couches minces d’oxydes par ablation laser (Y. Zheng)
Utilisation : croissance de couches minces d’oxydes magnétiques et de nanoparticules magnétiques.
Descriptif : une enceinte sous vide secondaire avec porte-échantillons chauffant et porte-cibles 6 places (Alcatel). Un laser de
puissance eximère KrF LPX 325 fonctionnant à 248 nm (Lambda Physik).
• Pulvérisation cathodique (Stéphane Chenot, Roger Gohier)
Utilisation : chambres de dépôt dédiées soit aux oxydes et sulfures pour matériaux électroluminescents, soit aux CERMET,
soit aux métaux.
Description : deux enceintes de pulvérisation cathodique RF magnétron réactive multi-cibles de 100mm ; générateurs de
puissance radiofréquence 1250 W et 2 fois 600 W, 13.56 MHz ; portes échantillons fixes et amovibles chauffants (600°C) ;
mesure d’épaisseur par réflectométrie ; spectromètre de masse ; arrivées de gaz, pompages.
• Bâti à effet Joule (Stéphane Chenot)
Utilisation : dépôt sous vide de contacts métalliques (Au, Ag, Al)
Description : bâti sous vide secondaire destiné à la fabrication de contacts métalliques sur divers substrats ; contrôle du dépôt
in situ par mesure de la transmission optique.
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• Fours vide secondaire et vide poussé (Isabelle Trimaille)
Utilisation : recuits sous atmosphères statiques propres ou ultra-propres, permettant l'étude de la stabilité des défauts
cristallins intrinsèques ou induits, et la formation ou la modification de couches ou interfaces ultra-minces (oxydes,
oxynitrures, nitrures …) sur substrats.
Descriptif : deux fours à chauffage par effet Joule équipés de tubes de verre de silice et spécialement étudiés pour la
manipulation et la récupération de gaz marqués isotopiquement ; traitement d’échantillons jusqu'à 2.5 cm x 2.5 cm avec une
température maximale de 1250°C ; capteur de pression à membrane ; piège à azote liquide ; un spectromètre de masse pour
l'analyse isotopique des gaz de traitement.
• Élaboration couches minces organiques (Jean Louis Fave)
Utilisation : dispositif qui permet les dépôts de matériaux organiques à la tournette, l’évaporation thermique sous vide (10-6
mbar), le changement des masques et manipulations sous atmosphère contrôlée.
Descriptif : ensemble boite à gants, enceinte d'évaporation multi-creusets, et contrôleurs associés NE.
8. Équipements Collectifs
8.1 Salle Blanche classe 1000 (Bernard Bonello, Charlotte Bourgeois, Roger Gohier)
•
Pulvérisation cathodique (Roger Gohier)
Utilisation : enceinte permettant d’effectuer tous les types de dépôts de métaux, d’oxydes ou de nitrure, d’alliages et de
multicouches, surtout utilisé pour réaliser des transducteurs pour l’acoustique (couches de ZnO pour le domaine du GHz ou
couches métalliques pour l’acoustique picoseconde et la transduction subterahertz)
Description : bâti de pulvérisation cathodique radio fréquence (Alcatel type SCM400) comprenant quatre cibles, porte
palettes chauffants, deux générateurs RF 300watts ; un mesureur d’épaisseur Inficon Leybold et .
• Deux évaporateurs [ Leybold Univex 300 et Edwards Auto 306 ]
Permettent l’évaporation de métaux sous vide (10-7 mbar) grâce au passage d’un courant électrique en contrôlant la vitesse
d’évaporation (couches de 300 à 6000 Å)
• Une tournette [ Karl Suss TP 6000 ]
Permet de réaliser des couches homogènes de résines ou de cristaux liquides par spin coating tout en contrôlant l’épaisseur de
la couche déposée
• Un aligneur de masque [ Karl Suss MJB 3 ]
Permet d’insoler à travers un masque la résine déposée à la tournette. Possibilité d’aligner deux masques différents, de régler
la durée d’exposition et la longueur d’onde d’insolation
• Un pulvérisateur [ Bio Rad SC 500 ]
Permet de réaliser des couches de métaux sur des surfaces très rugueuses et/ou sensibles à la température
• Un profilomètre [ Veeco Dektak 3 ]
Permet de mesurer l’épaisseur des couches déposées avec une précision de 10 Å. Possibilité de balayer toute la surface de
l’échantillon
• Une microsoudeuse [ Kulicke & Soffa 4129 ]
Permet de faire des connexions électriques avec du fil d’or ou d’aluminium de diamètre 25 ou 50 microns. Mode semiautomatique permettant une grande répétitivité
• Un photolithograveur [ DWL 66 SF de Heildeberg Instruments ] NE
Permet la réalisation de structures (plots, lignes, fentes, trous ou tout autre objet concevable sur ordinateur) ayant des
dimensions latérales de 0,6 µm à plusieurs dizaines de mm, sur tout substrat (dimension maximum du substrat : 6"x6")
• Un microscope optique
Megapixels.
NE
en réflexion et en transmission équipé d’un objectif X100 et d’une caméra CCD 3,2
8.2 Atelier d’optique cristalline et rayons X
• Atelier d’optique cristalline (Michelle Jacquet)
Activités : 1) Optique cristalline : orientation des cristaux (dans les 7 systèmes cristallins) suivant des méthodes optiques dans
le visible ou par diffraction de Rayons X par la méthode de Laüe pour les cristaux massifs.
2) optique de précision : découpe et réalisation de surfaces planes polies à la frange d’interférence suivant des angles
cristallographiques précis.
• Atelier rayons X (Mohamed Selmane)
Activités : Diffraction ou réflectivité de rayons X : utilisation d’un diffractomètre X’PERT Phillips, (diffractomètre X, 4
cercles) pour l’étude de la diffraction par la méthode θ - 2θ sur les poudres ou les couches minces. La réflectométrie de
rayons X en incidence rasante permet la mesure d’épaisseur de couches ou de systèmes multicouches par l'étude des franges
de Kiessig.
190

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Jacki chan

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