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 Message de la direction Message de la direction 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 Axe I - Nanostructures quantiques : de l’objet modèle aux systèmes quantiques complexes 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. 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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 Conference Proceedings ; 893 ; 1131 ; 2007 [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 International Conference on the Physics of Semiconductors ; Vienna, Austria ; July 2006 ; AIP Conference Proceedings ; 893 ; 965 ; 2007 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). • Coopération Scientifique entre l’Académie 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) Contrat EPSRC (Engineering and Physical Science Research Council- Royaume-Uni) • Dr Daniel Wolverson (Physics Department, Bath University, Bath, UK) Contrat EPSRC (Engineering and Physical Science Research Council- Royaume-Uni) • 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) Coopération Scientifique entre l’Académie 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, International Conference on the Physics of 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 Axe I - Nanostructures quantiques : de l’objet modèle aux systèmes quantiques complexes 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 • • • • Communications avec actes [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 • Conférences invitées dans congrès internationaux • • « 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 • • Contrats et Valorisation • Elaboration et fabrication d’un cryostat très basse température pour un STM ultravide. Contrat avec la société ICE Oxford, Royaume Uni ; 2005-2007 • Organisation conférences • 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 SIMULATION 4K g=2.00 EXPERIMENT 80K SIMULATION 80K g=1.93 SIMULATION 110K g=1.95 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 Références : [77], [78] 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. 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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 Cooperations internationales • G. Battistig, MTA-CNRS (Budapest). • R. Serna, Inst Optique Madrid Autres Contrats et Valorisation 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, Organisation conférences • 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 Axe II – Structure, dynamique et réactions aux interfaces 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. 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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. 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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 Conférences invitées dans congrès internationaux • «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. Coopérations internationales • 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 et Valorisation 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. Organisation conférences • 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 Axe II – Structure, dynamique et réactions aux interfaces 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. 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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 Communications avec actes [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 • Conférences invitées dans congrès internationaux «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 et Valorisation 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 Organisation conférences Journées scientifiques et colloques nationaux : • 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 Axe II – Structure, dynamique et réactions aux interfaces 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 Références : [21], [45] 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. 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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]. Communications avec actes [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) Livres (ou chapitres des livres) [L1] Depondt Philippe, de Véricourt G., « Kepler », 2005, Editions du Rouergue 87 • Conférences invitées dans congrés internationaux • «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 Coopérations internationales • Mackrodt, W. C. Université de Saint-Andrews (Ecosse) programme ALLIANCE • Chakrabarti Aparna, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore (India) ; programme IFCPAR Autres Contrats et Valorisation 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) Organisation conférences Journées scientifiques et colloques nationaux : • 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 Axe II – Structure, dynamique et réactions aux interfaces 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. Références : [10], [13] 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 Livres (ou chapitres des livres) «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 Conférences invitées dans congrés internationaux • «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 et Valorisation 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 Organisation conférences Journées scientifiques et colloques nationaux : • 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 Axe II – Structure, dynamique et réactions aux interfaces • 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 Conférences invitées dans congrés internationaux «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 Communications avec actes «Shearing of a confined granular layer: Tangential stress and dilatancy»; Coste C.; Phys. Rev. E ; Vol 70 ; 051302 ; 2004 [4]. [6]. 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Axe II – Structure, dynamique et réactions aux interfaces 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) Communications avec actes [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 Conférences invitées dans congrés internationaux [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 • • Cooperations internationales 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 et Valorisation 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 Organisation conférences Journées scientifiques et colloques nationaux : • 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 Colloques ou workshops internationaux : • 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 Références : [14], [44] 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. 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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 • • Livres (ou chapitres des livres) [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 • Communications avec actes [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 Cooperations internationales Conférences invitées dans congrés internationaux • «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 et Valorisation 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)) Organisation conférences Journées scientifiques et colloques nationaux : • 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 Colloques ou workshops internationaux : • 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 Axe III – Optique et acoustique des couches minces et des nanostructures 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. 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[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. 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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 et Valorisation 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 Organisation conférences Journées scientifiques et colloques nationaux : • 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 Cooperations internationales • 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 Colloques ou workshops internationaux : • 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) Axe III – Optique et acoustique des couches minces et des nanostructures 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 • • • Livres (ou chapitres des livres) [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 Cooperations internationales Communications avec actes • [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 Contrats et Valorisation Conférences invitées dans congrés internationaux • «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 Organisation conférences Journées scientifiques et colloques nationaux : • 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 Berthier S., Année mondiale de Physique et Science en fête: 36 Candélas – Mairie du 12ème, Paris, octobre 2005 Berthier S., Année mondiale de Physique et 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 Optique et Photonique 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 Optique et Photonique 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 qu es In e fo sp rm é at ci iq fiq ue ue -R s és ea ux -W eb Bu re M a an ut H ag yg iq ue em ié ne en et t-e s ffi 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. 187 • 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. 188 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. 189 • 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