Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg

Section des Unités de recherche
Rapport du comité d'experts
Unité de recherche : Institut de Physique et Chimie des
Matériaux de Strasbourg – UMR 7504
de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg 1
janvier 2008
Section des Unités de recherche
Rapport du comité d'experts
Unité de recherche : Institut de Physique
et Chimie des Matériaux de Strasbourg
UMR 7504
de l’Université Louis Pasteur –
Strasbourg 1
janvier 2008
Rapport du comité d'experts
L'unité de recherche :
Nom de l'unité : Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg
Label demandé : UMR
N° si renouvellement : 7504
Nom du directeur : Marc DRILLON
Université ou école principale :
Université Louis Pasteur Strasbourg 1
Autres établissements et organismes de rattachement :
CNRS
Date(s) de la visite :
28 et 29 janvier 2008
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Membres du comité d'évaluation
Président :
Monsieur Alain SCHUHL, à l’Université Joseph Fourier de Grenoble.
Experts :
Monsieur Daniel DUPREZ, Directeur de recherche du CNRS au LACCO à Poitiers.
Monsieur Salvador FERRER, Professeur de la Universitat Autonoma de Barcelona, Espagne.
Monsieur Thierry FOURNIER Ingénieur de recherche à l’Institut NEEL de Grenoble.
Monsieur Robert JEROME, Professeur de l’Université de Liège.
Madame Annick LOISEAU, Directrice de recherche de l’ONERA à Chatillon.
Monsieur Antoine MAIGNAN, Directeur de recherche du CNRS au CRISMAT à Caen.
Monsieur Fréderic MILA, Professeur à l’EPFL de Lausanne.
Monsieur Joël MOREAU, Professeur à l’ENSCM de Montpellier.
Monsieur Fabrice VALLEE, Directeur de recherche du CNRS au LASIM à Lyon.
Monsieur Jan VOGEL, Chargé de recherche du CNRS à l’Institut NEEL de Grenoble.
Expert(s) représentant des comités d’évaluation des personnels
(CNU, CoNRS, CSS INSERM, représentant INRA, INRIA, IRD…..) :
Monsieur Bertrand BERCHE, Professeur de l’Université de Nancy, représentant du CNU 28ème section.
Madame Sylvie ROUSSET, Directrice de recherche au MPQ à Paris, représentante du CN6 du CNRS.
Observateurs
Délégué scientifique de l'AERES :
Monsieur Claude LECOMTE
Représentant de l'université ou école, établissement principal :
Madame Marie Madeleine ROHMER, représentante du Président de l’Université Louis Pasteur
Représentant(s) des organismes tutelles de l'unité :
Madame Dominique CHANDESRIS, CNRS MPPU
Monsieur Jean François BAUMARD, CNRS Chimie
Monsieur Francis SECHERESSE , CNRS Chimie
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Rapport du comité d'experts
1 z Présentation succincte de l'unité
Sur un effectif permanent de 131 personnes, le laboratoire compte :
•
39 chercheurs ( 25 CR, 14 DR) dont 25 HDR ,
•
33 enseignants-chercheurs 18 Pr 15 MCF dont 22 HDR, tous publiants,
•
59 ITA-IATOS (42 CNRS, 17 ULP )
•
Sur les 47 HDR 31 dirigent des thèses actuellement.
•
47 thèses ont été soutenues de sept 2003 à sept 2007. Au 1 octobre 2007, sont présents : 59
doctorants et 7 post-doctorants.
•
Nombre de publiants : 72/72 EC,C.
2 z Déroulement de l'évaluation
Le comité s’est réuni les 28 et 29 Janvier 2008 pour évaluer simultanément les activités de trois laboratoires
de recherche : le Laboratoire des Matériaux, Surfaces et Procédés pour la Catalyse, UMR 7515 associée au CNRS et à
l’Université Louis Pasteur; l'Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), UMR 7504 associée au
CNRS et à l’Université Louis Pasteur ; et le Laboratoire de Physique Théorique (LPT), UMR 7085 associée au CNRS et à
l’Université Louis Pasteur.
La première demi-journée d'évaluation a été consacrée à l’audition des trois Directeurs. Ces auditions ont été
suivies l'après-midi de neuf exposés oraux de faits scientifiques marquants, un consacré au LPT, deux au LMSPC et six
à l’IPCMS. Cette première journée s'est terminée par l'audition des Tutelles: Présidence de l'Université Louis Pasteur
Strasbourg I, Faculté de Chimie, ECPM, Délégué Régional du CNRS.
La seconde matinée a consisté en une visite des Laboratoires. Les membres du comité se sont divisés en
plusieurs groupes. L'après-midi, après une courte visite de deux installations de l'IPCMS (salle blanche et microscopie
3D), les membres du comité se sont scindés en plusieurs groupes pour auditionner les représentants des différents
Laboratoires. Le comité s'est ensuite réuni à huis clos pour débattre à la fois des acquis du Contrat quadriennal actuel
et des évolutions proposées pour le prochain Contrat.
Le comité a apprécié la qualité des exposés des membres des laboratoires mettant en lumière autant les
aspects appliqué, « sociétal » et fondamental de la recherche effectuée. L’organisation globale de ces journées ainsi
que la qualité de l’accueil par l’ensemble des membres des laboratoires ont été remarquables.
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3 z Analyse globale de l’unité, de son évolution et de son
positionnement local, régional et européen
L’appréciation du comité de visite sur l’IPCMS est excellente. Le comité a particulièrement apprécié la qualité
des présentations orales des activités. L’IPCMS est un institut qui regroupe 230 personnes dont 138 permanents. Il est
divisé en 5 groupes disciplinaires. L’effet centrifuge qu’une telle organisation pourrait insuffler est totalement évité
grâce à une gouvernance structurée et volontaire et d’autre part à l’introduction régulière d’actions transverses.
Le comité de visite a constaté que le dynamisme engagé lors du regroupement de laboratoires de physique et
de chimie au sein d’un même Institut ne s’est pas essoufflé. Au contraire aujourd’hui l’IPCMS a acquis un statut de
grand laboratoire européen. La production scientifique du laboratoire est d’un excellent niveau en termes de quantité
et de qualité de publications. La synergie interne du laboratoire est assurée par l’existence d’une dizaine d’actions
transverses.
Le comité tient à féliciter l’institut pour son implication active dans les réseaux locaux, nationaux et
internationaux. Au niveau local et régional, l’IPCMS joue un rôle structurant, dans les fédérations du Campus de
Cronenbourg, dans le pôle Matériaux et Nanosciences, le RTRA Chimie et ses interfaces et le C’Nano Grand-Est.
L’institut a participé aussi aux grands programmes nationaux (MRCT-RTF, RMNT, ANR, GANIL...) et a été membre de
12 GDR. Le point fort de l’institut est sans nul doute son ancrage international, avec sa participation à des réseaux
d’excellence du 6ème PCRD, son lien avec les Instituts Max Planck au sein d’un réseau MPG-CNRS et aussi ses relations
privilégiées avec des laboratoires indiens au sein d’un LIA sur les matériaux et nanosciences, ou avec la Corée du sud
et le Japon. Cette visibilité internationale s’est traduite au cours de ces dernières années par un important
recrutement de chercheurs étrangers de très haut niveau.
L’IPCMS a confirmé durant ces quatre dernières années son statut de laboratoire attaché au développement
d’expériences et à l’instrumentation scientifique. L’examen du rapport d’activité ainsi que la visite du laboratoire
montrent un grand professionnalisme dans la démarche, tant au niveau de la conception que de la réalisation. Les
expériences développées associent à la fois des personnels chercheurs et ITA. Les réalisations couvrent un large
spectre de techniques : On peut ainsi citer des systèmes complexes et originaux de fabrications de couches minces,
divers dispositifs de mesures magnétiques (spectroscopie d’électrons résolue en spin, dynamique de retournement
d’aimantation, mesures d’anisotropie et RMN), de nombreux dispositifs de mesures dans le domaine de la
spectroscopie Optique Femtoseconde.
Parallèlement à ces développements expérimentaux, le laboratoire met en place ou participe avec les
partenaires locaux à une politique ambitieuse de plateformes expérimentales à la disposition de la communauté : La
plateforme de nanofabrication CN2S et La plateforme TEM 3D analytique. Le comité tient à saluer cette politique
volontariste qui permet à l’institut d’avoir les outils nécessaires au développement d’une recherche compétitive.
4 z Analyse équipe par équipe et par projet
1.1. GEMME
Le Groupe d'Etudes de Matériaux Métalliques compte 12 chercheurs CNRS, 10 enseignants-chercheurs, 13 ITA et
IATOS, 6 post-doctorants et chercheurs invités, et 13 doctorants. Ce groupe a montré une productivité scientifique
impressionnante sur la période 2003-2007, avec 314 publications, 4 chapitres d'ouvrages, 56 conférences invitées et 17
thèses soutenues.
Les sujets de recherche expérimentale du GEMME concernent essentiellement les couches minces et
nanostructures magnétiques et l'électronique de spin. Depuis 2002, le groupe s'est fortement renforcé avec l'arrivée
de deux professeurs (dynamique de spin, spintronique moléculaire), 2 CR2 CNRS (ondes de spin, systèmes hybrides
métal/semiconducteur organique/métal), 2 MCF et 2 IR. L'arrivée de deux professeurs de très haute qualité (dont un
soutenu par une chaire d'excellence ANR) de l'étranger (Suisse et Etats-Unis) montre l'attractivité de l'IPCMS au niveau
5
international. Ces renforcements en personnel, en combinaison avec des financements importants obtenus dans le
cadre de l'ANR, du RTRA et du CPER, ont permis au groupe de développer des expériences nouvelles et originales :
•
réflexion et transmission d'électrons polarisés pour l'étude de la précession des spins des électrons.
•
spectroscopie d'ondes de spin.
•
nouveau bâti d'élaboration et de caractérisation de systèmes hybrides pour l'électronique de spin.
•
L’élaboration de nanocontacts magnétiques en vue d’insérer une molécule unique pour la
spintronique moléculaire
Le GEMME a une forte implication dans le développement et l'exploitation d'un dispositif de mesure de
Dichroïsme Magnétique Circulaire et Linéaire des rayons X (XMCD) à très basse température (< 1K) et fort champ (7T).
Ce dispositif a été installé plusieurs mois dans les synchrotrons européens d'ELETTRA, BESSY et SLS où il a rendu
service à plusieurs équipes de l'IPCMS ainsi qu'à de nombreux scientifiques nationaux et internationaux.
Parmi les résultats expérimentaux les plus marquants, nous notons la mise en évidence de la précession de spin
dans les couches minces magnétiques, l'étude des ondes de spin dans les plots de permalloy, l'étude des processus
d'aimantation des nanostructures de CoPt et la préparation et caractérisation de structures hybrides. Une partie de
ces résultats est le fruit des développements expérimentaux entrepris par le groupe ces quatre dernières années.
Cette évolution expérimentale ouvre de très bonnes perspectives pour les années à venir, comme il a été montré aussi
par des résultats obtenus depuis la rédaction du rapport, comme le transport dépendant du spin dans les systèmes
Fe/MgO/Cr/Fe et la première mise en évidence d'un effet Doppler induit par un courant électrique sur les ondes de
spins.
Le groupe GEMME s’est également très investi dans la plateforme de nanofabrication CN2S à travers plusieurs
de ses membres. L’acquisition récente par l’IPCMS d’un Microscope Electronique à Transmission JEOL de toute
dernière génération contribuera à l’avenir à des recherches du groupe GEMME comme l’imagerie 3D de nanoparticules
magnétiques.
Le souci principal du comité concerne l'axe spintronique moléculaire, très ambitieux et très prometteur, mais
qui est très concurrentiel au plan international. Cet axe est pour l'instant développé principalement par un professeur
avec 4 doctorants et 2 post-doctorants.
Les activités de recherche théoriques au GEMME relèvent essentiellement de deux axes thématiques : d’une
part l’étude des systèmes mésoscopiques et d’autre part les méthodes de calculs ab-initio.
Pour ce qui concerne l’équipe de Physique mésoscopique, il s’agit d’une activité de recherche de tout premier
ordre. Elle est de plus très bien intégrée au dispositif de recherche de l’IPCMS, au sein du GEMME mais aussi dans les
autres groupes (le GONLO par exemple). Elle vient ainsi en renfort d’autres équipes, mais développe également (et
doit continuer à le faire) des axes de recherche propres. Un résultat marquant de cette équipe intervient précisément
dans ce contexte transversal avec l’explication d’un phénomène observé expérimentalement au GONLO, à savoir une
anomalie de relaxation de nanoparticules excitées par laser. Une opération transversale à l’IPCMS (l’opération
’’Dynamique ultra-rapide et cohérence dans les nanoparticules’’, soutenue par une ANR) est le fruit de cette
collaboration. L’équipe joue aussi un rôle essentiel dans l’animation scientifique au sein de l’institut. Le comité
encourage cette équipe très dynamique à continuer à prendre de l’importance au niveau national et international en
essayant par exemple de participer davantage à l’organisation de rencontres scientifiques internationales afin
d’accroître sa visibilité.
Le second aspect du travail concerne les calculs de propriétés électroniques : structures de bandes,
magnétisme, propriétés de transport, etc. Les efforts dans ce domaine sont concentrés sur des matériaux étudiés par
ailleurs dans l’institut, notamment pour l’électronique de spin. Pour l’ensemble de ces travaux, la production
scientifique au cours des quatre dernières années est abondante, voire impressionnante, et pour l’essentiel publiée
dans les revues majeures de physique de la matière condensée. La participation de ces diverses équipes à des
programmes de collaboration au niveau international, aux GDR, ANR, ACI, …, aux instances nationales, est très
soutenue, de même que les participations à colloques comme conférenciers invités.
Dans ce contexte très positif, le comité souhaite émettre deux recommandations. La première est à l’intention
des chercheurs. Dans le domaine des corrélations fortes, des progrès rapides ont eu lieu récemment pour aller au-delà
des approximations statiques de type LDA+U grâce à l’approche DMFT (dynamical mean-field theory) et à ses
extensions de type cluster. Le comité est d’avis qu’une ouverture en direction de ces nouveaux développements serait
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très utile sur un certain nombre de problèmes étudiés dans le groupe. La deuxième recommandation est à l’attention
du laboratoire. Les chercheurs sont limités dans certains de leurs sujets d’étude par des capacités de calcul trop
faibles à l’institut (le recours aux centres de calcul nationaux, même s’il est toujours possible, présente souvent des
difficultés de mise en œuvre). Le comité soutient la direction de l’IPCMS, dans sa décision de consacrer des fonds
importants issus du PCER, pour l’acquisition de moyens de calcul à la hauteur des ambitions de ses numériciens, a
hauteur de 100k€ dés 2008.
Plus fondamentaux, mais également de haut niveau, les travaux liés aux problèmes de frustration géométrique
présentent un intérêt académique incontestable (et des applications inattendues, comme le « déploiement » de la
mue du crabe).
En conclusion, le bilan du GEMME est excellent, avec des perspectives riches pour les années à venir. Le groupe
semble aussi disposer de suffisamment de cadres pour pouvoir résoudre en interne le problème du remplacement du
responsable du groupe, atteint par la limite d'âge.
1.2. Groupe d’Optique Nonlinéaire et Optoélectronique (GONLO)
Le Groupe d’Optique Nonlinéaire et Optoélectronique compte 8 chercheurs CNRS, 11 enseignants-chercheurs,
13 ITA et IATOS, 5 postdoctorants, et 8 doctorants. Ce groupe a montré une excellente productivité scientifique sur la
période 2003-2007, avec 170 publications, 1 chapitre d'ouvrage, 42 conférences invitées et 10 thèses soutenues.
Le Groupe d’Optique Nonlinéaire et Optoélectronique développe des activités dans les domaines de la
spectroscopie ultrarapide, de l’optique nonlinéaire et de la biophotonique. Malgré la taille importante de ce groupe,
les activités gardent une excellente unité thématique. Elles ont été développées et renouvelées de façon pertinente,
notamment avec la mise en place de nouveaux axes dans les domaines de la modélisation et de la biologie, ainsi que
par celle de collaborations internes à l’IPCMS dans les domaines de la dynamique de spin et de la modélisation. Ce
groupe anime aujourd’hui deux opérations transverses de l’IPCMS : les processus dynamiques ultra-rapides et les
biomatériaux. Les activités théoriques et expérimentales sont apparues très complémentaires au comité, la présence
de ces deux aspects constitue un atout important du GONLO.
L’évolution des effectifs enseignants-chercheurs est tout à fait satisfaisante. Ce n’est pas le cas pour les
personnels CNRS pour lesquels les divers départs lors de ces 10 dernières années ont conduit à un solde fortement
négatif. Dans ce contexte le comité soutient la volonté d’accroitre le nombre de chercheurs CNRS du GONLO exprimée
par la direction de l’institut comme une priorité forte du laboratoire. Il est par ailleurs dommage que le flux de
doctorants reste moyen, avec une répartition inégale entre les équipes du GONLO. Un effort important de recherche
d’étudiants, notamment hors du campus de Strasbourg est à envisager, il est vrai dans un contexte général difficile
pour la physique.
Le femto-magnétisme constitue une activité phare, initiée au niveau mondial au GONLO. Les résultats obtenus
ces dernières années sont remarquables, notamment en ce qui concerne la visualisation en temps réel de la
précession de l’aimantation dans des films et des nanoparticules métalliques magnétiques. L'orientation de ces
travaux vers les nanostructures et les effets collectifs dans des nanoparticules magnétiques organisées devraient
apporter des résultats nouveaux et particulièrement intéressants dans le domaine du nano-magnétisme. Ce thème
constitue également un axe transverse porteur associant outre le GONLO, le GEMME et le GSI. Dans ce cadre, les
premières expériences de XMCD résolue en temps réalisées à BESSY sont prometteuses. La petite taille de l'équipe
engagée sur cette thématique est un frein à son activité et son renforcement, qui constitue une priorité affichée par
l’IPCMS, est indispensable.
Les activités théoriques sur la dynamique électronique dans les systèmes métalliques et semi-conducteurs sont
maintenant bien établies, avec des connexions fortes avec les expérimentateurs. Elles ont donné lieu à plusieurs
résultats remarquables ainsi qu’au développement d’une activité transversale avec le GEMME dans le cadre d’un
projet ANR. En particulier, la prédiction d'effets nouveaux dans des nanosystèmes métalliques ou semi-conducteurs
devrait stimuler le développement de nouvelles expériences. L'orientation de ces travaux vers les nano-systèmes
magnétiques devrait renforcer la place du GONLO dans ce domaine et notamment apporter des réponses à des
questions fondamentales soulevées par les travaux expérimentaux en femtomagnétisme. Elle est fortement soutenue
par le comité.
La spectroscopie ultrarapide de nanostructures de semi-conducteurs a été l’objet d’une activité intense avec
de nombreuses collaborations nationales et internationales. Des résultats importants ont été obtenus sur la
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luminescence et l’amplification de lumière dans les nanocristaux de silicium en matrice, ou encore sur les interactions
porteurs-phonons optiques dans les boîtes quantiques. Des travaux originaux et particulièrement détaillés et
convaincants ont été réalisés sur la dynamique de spin dans les semi-conducteurs. Les développements actuels vers
les semi-conducteurs grand gap (GaN) sont pertinents dans le contexte actuel. Les études initiées dans les semiconducteurs magnétiques dilués vont se heurter à la qualité des échantillons. L’application du savoir faire de l’équipe
à la caractérisation de l’activité photocatalytique de TiO2 a donné des résultats originaux, sans que l’avenir de cet
axe soit précisé. Sa poursuite, en collaboration avec des spécialistes de la photocatalyse, est encouragée.
Les matériaux organiques pour l’optique constituent un thème très actif du GONLO. Les travaux fondamentaux
sur l’étude des propriétés optiques nonlinéaires de systèmes moléculaires ont été associés à la réalisation de microsystèmes photostructurés grâce à des développements intrumentaux importants. Ainsi, les résultats obtenus par
micro-structuration à un photon ou multiphotonique constituent un ensemble impressionnant. Le développement de la
valorisation, engagée par l’équipe, de ce savoir-faire sur la micro-structuration des matériaux et de leurs propriétés
optiques, est fortement encouragé par le comité. Les travaux sur les molécules autodoublantes sont plus en amont,
avec des résultats encourageants, mais de nombreuses difficultés à surmonter pour la réalisation d’un laser
organique. La poursuite des activités fondamentales sur la corrélation entre structure et propriétés optiques
nonlinéaires est indispensable.
Dans ce cadre le support apporté par l’équipe spectroscopie moléculaire théorique constitue un atout
important et indispensable aux activités expérimentales. Une extension de ces activités théoriques à la dynamique
ultrarapide des systèmes moléculaires en soutien au développement des travaux expérimentaux du GONLO dans le
domaine des molécules biologiques est fortement encouragée.
Les activités dans le domaine de l'étude et de la caractérisation optiques de molécules d'intérêt biologique
ont pris un essor important avec la création de deux nouvelles équipes. Celles-ci sont maintenant bien en place, avec
des thématiques et des méthodologies originales. Des études précises et détaillées des mécanismes d'interaction
biologique, indispensables à la compréhension de nombreux processus biologique complexes, ont été engagées. Les
premiers résultats sont très encourageants aussi bien dans les domaines de la spectroscopie ultrarapide que du FRET
(microscopie par transfert résonant d’énergie de fluorescence) et de la manipulation optique de molécules uniques.
Sur le premier axe, les possibilités ouvertes pour l'étude expérimentale et la modélisation des mécanismes
élémentaires intervenant dans la réponse optique ultrarapide de protéines ainsi que de photocommutateurs
biomimétiques sont prometteuses. L'approche combinée expérience/théorie est particulièrement pertinente et
devrait être riche en retombées. Une collaboration plus étroite avec les équipes théoriques est recommandée. Dans le
deuxième axe, la mise en place d'études fondamentales des interactions de l’ARN Tar par des mesures de courbes
force-extension et par FRET sont originales et très prometteuses. Les premiers résultats de FRET sur l'interaction
ruthénium-ADN offrent également un excellent potentiel. Les collaborations locales mises en place sur ces thèmes
avec des biologistes de l'ULP permettent d'exploiter très largement le potentiel de ces études fondamentales, leur
développement est vivement encouragé par le comité.
En conclusion, le comité a été impressionné par la qualité des travaux réalisés au GONLO, aussi bien d'un point
de vue expérimental que de celui de la modélisation. La production scientifique est d’un excellent niveau apportant
une grande reconnaissance nationale et internationale à ce groupe. La qualité et l'originalité des travaux réalisés sont
indissociables de développements instrumentaux importants aussi bien dans le cadre de la mise en place des nouveaux
thèmes que de l’évolution de ceux existants. Les perspectives et les nouvelles thématiques mises en place sont très
prometteuses pour l’avenir.
1.3. Groupe Surfaces et Interfaces (GSI)
Le Groupe Surfaces et Interfaces compte 6 chercheurs CNRS, 5 enseignants-chercheurs, 7 ITA et IATOS, 2
postdoctorants, et 8 doctorants. Le groupe est le plus petit groupe de l’institut mais ce format n’est pas au détriment
de la qualité et de la quantité de sa production scientifique, qui est au diapason des autres groupes, surtout si on
considère la dynamique sur la période 2003-2007, avec 133 publications, 3 chapitres d'ouvrages, 31 conférences
invitées et 10 thèses soutenues.
Le GSI développe des activités expérimentales sur des problèmes de magnétisme de surface, nanomagnétisme,
nanotubes de carbone et des activités théoriques centrées sur la modélisation des phénomènes liés à la croissance en
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surface et de nano-objets. De façon générale, le comité a été frappé par la variété des sujets abordés au regard de la
taille des équipes impliquées.
Concernant le magnétisme, les sujets portent sur des thèmes majeurs comme les interfaces
ferromagnétique/antiferromagnétique, les nanoclusters auto-organisés, des semi-conducteurs magnétiques et des
particules d’alliages bi-métalliques. Les techniques habituellement abordées sont XMCD, PEEM et la diffraction des
rayons X et STM. Elles sont structurées en action transverse au sein de l’Institut. Tous ces différents sujets sont
hautement compétitifs et les résultats engrangés par le groupe sont de tout premier ordre, grâce à son dynamisme et
à sa capacité à développer des collaborations au niveau international structurées et tout-à-fait fructueuses. Cette
capacité compense heureusement le faible nombre de chercheurs engagés sur ces thématiques. On peut distinguer
dans l’ensemble de l’activité, un sujet particulièrement original et dans le droit fil de l’activité historique du
laboratoire, qui concerne l’étude de l’influence de la taille et de la composition de particules d’alliages métalliques
binaires sur la température de blocage. L’orientation des travaux sur ces nanostructures est particulièrement
prometteuse et devrait apporter des résultats nouveaux très intéressants dans le domaine du nanomagnétisme. Elle
devra s’appuyer sur une étroite combinaison d’études de structures et de propriétés magnétiques en développant un
ensemble d’expériences couplant STM (installation d’un nouveau STM basse température), diffraction X, EXAFS et
XMCD. Ce programme devra être accompagné d’un volet d’études théoriques sur les relaxations des positions
atomiques dans les nanoparticules et les effets de composition en surface, qui est un grand savoir faire des
théoriciens du groupe et qui contribue à leur originalité.
Concernant les nanotubes, cette activité dans le groupe est héritée historiquement de l’activité sur les couches
minces de diamant. Le groupe a mis à profit la capacité des techniques de type CVD développées pour la synthèse de
ces films, pour synthétiser des nanotubes de carbone en jouant sur la proportion des gaz injectés. Avec son savoirfaire sur le diamant, le groupe a ainsi pu disposer d’une instrumentation très originale pour étudier de façon fine,
grâce à des diagnostics in situ bien choisis, les conditions de synthèse et les mécanismes de formation des nanotubes
de carbone. Ces expériences sont accompagnées d’études structurales poussées par TEM et XPS. Savoir contrôler la
synthèse et comprendre la formation de ces nanostructures représentent, pour cette thématique, des enjeux
capitaux pour l’avenir, et hautement compétitifs. Tout ceci explique l’intérêt des études engagées sur ce thème dans
le groupe. L’effort de recherche a été payant puisqu’il a abouti à la maîtrise de la synthèse de différents types de
tubes, contenant un petit ou un grand nombre de feuillets, et dernièrement des tapis de tubes orientés. L’orientation
actuelle des travaux vise à tirer parti de ces tapis notamment pour leur utilisation dans des dispositifs d’émission sous
champ. Cette application est effectivement très prometteuse et nombre d’études attestent dans la littérature de ses
potentialités. Les recherches en France dans ce domaine sont en particulier très actives aussi bien au plan
fondamental qu’appliqué. L’essor de cette thématique nouvelle dans le groupe devra cependant, pour atteindre une
masse critique, se faire en développant des collaborations avec des équipes spécialistes notamment au sein du
groupement de recherches sur les nanotubes. De façon plus générale, l’équipe engagée sur la thématique sur les
nanotubes est peu nombreuse mais a une forte connexion avec le groupe de photocatalyse et nanostructures au LMSPC
à Strasbourg, très actif dans ce domaine. Elle se trouve également renforcée par l’arrivée récente d’un professeur
d’université, spécialiste de réputation internationale dans le domaine des nanotubes et des nanostructures de
carbone, qui devra certainement amener à une forte évolution des objectifs scientifiques.
Sur le plan théorique, les activités portent sur des études de modélisation de la nucléation et de croissance en
surface ainsi que sur des études de processus cinétiques comme la diffusion atomique. Le groupe a consacré un effort
important pour mettre au point une description correcte des potentiels d’interaction atomique dans les systèmes
étudiés, ce qui lui a permis d’obtenir des résultats très intéressants et convaincants, démontrant son savoir-faire et
sa maîtrise des outils de modélisation. Pour le futur, les activités devraient être davantage en appui des activités
expérimentales menées dans le groupe. L’étude de la structure et des relaxations des nanoparticules des alliages
binaires ainsi que la modélisation de la nucléation des nanotubes de carbone à la surface de nanoparticules
métalliques sont des axes à encourager. Il faudra toutefois que ces développements s’appuient sur des collaborations
extérieures avec des groupes impliqués dans ces thématiques.
Les activités expérimentales du groupe sont étroitement couplées à l’utilisation et au développement
d’instrumentations importantes comme le rayonnement synchrotron, la microscopie électronique en transmission et la
microscopie à effet tunnel. Les recherches utilisant le rayonnement synchrotron sont structurées en une action
transverse dont le groupe assure l’animation scientifique. Par ailleurs, le groupe vient de s’équiper d’un microscope à
transmission analytique de la toute dernière génération, articulé sur un projet ambitieux et très innovant de
microscopie analytique 3D. L’institut se dote avec cette instrumentation, d’un moyen puissant adapté à l’analyse
d’objets de dimension nanométrique qui sont développés et étudiés dans les différents groupes. Une véritable équipe
de recherche doit se constituer autour de ce plateau instrumental aux multiples fonctions (imagerie haute résolution
filtrée, spectroscopie de perte d’énergie, holographie…) de façon à mettre en place à terme une activité transverse
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au niveau de l’institut. L’équipe actuelle qui vient d’accueillir un professeur d’université, spécialiste de microscopie
électronique, doit être encore renforcée pour relever ces enjeux d’autant qu’elle doit faire face au départ prochain
d’un ingénieur et d’un ITA.
En conclusion, les sujets abordés par le GSI sont d’une très grande actualité qu’il s’agisse du magnétisme ou
des nanotubes pour les activités expérimentales et de la nucléation ou des processus cinétiques pour les approches
théoriques. Le groupe est le plus petit de l’institut mais ce format n’est pas au détriment de la qualité et la quantité
de sa production scientifique, qui est au diapason des autres groupes de l’IPCMS. Il faudra cependant veiller à ce que
cette taille ne devienne pas un handicap et éviter le risque d’une dispersion thématique au regard des effectifs. Un
renforcement des collaborations nationales et internationales sur certains thèmes très concurrentiels serait
également souhaitable. Le comité a apprécié l’implication du nouveau responsable du groupe qui, par ailleurs, a ses
activités de recherches au GEMME. Il y aura certainement un équilibre à trouver au cours du prochain quadriennal.
1.4. Groupe des Matériaux Inorganiques (GMI)
Le Groupe des Matériaux Inorganiques (GMI), est constitué de 19 permanents, 7 chercheurs CNRS, 5
enseignants-chercheurs, 7 ITA/IATOS, ainsi que 2 post-doctorants et 10 doctorants. Il fait partie des 2 groupes de
chimistes du laboratoire au côté du Groupe des Matériaux Organiques. Le dynamisme du groupe s’est traduit sur la
période 2003-2007, par 211 publications, 5 chapitres d'ouvrages, 25 conférences invitées et 12 thèses soutenues.
Les activités couvrent un spectre large du fondamental à l'application allant de la synthèse de nouveaux
matériaux pour la génération de propriétés physiques originales jusqu'à des activités plus appliquées en relation avec
l'industrie. Il faut aussi souligner la prise d'un brevet sur un nouveau procédé de dépôt de nano objets sur toutes
surfaces - planes ou rugueuses - basé sur la combinaison du dépôt de film par spin coating et de lithographie
électronique. L'exploitation de ce brevet a donné lieu à la création d'une start-up qui a été récompensée par deux
prix de l'innovation. Les axes de recherche du Groupe sont développés au moyen de matériaux de différentes mises en
forme, tels que nanoparticules, cristaux, films minces ou couches épaisses.
Ces quatre dernières années, l'activité de synthèse de nanoparticules s'est fortement développée. On peut citer
l'obtention de nanoparticules magnétiques de ferrites par voie hydrothermale pour lesquelles des phénomènes de non
stoechiométrie en surface ont pu être mis en évidence. En tirant profit de la mésoporosité de la silice préparée par la
technique sol-gel, des nano composites silice/ferrite ont pu être obtenus par addition de sels métalliques. Ainsi, les
propriétés magnétiques de phase -Fe2O3 sont remarquables avec un état métamagnétique pouvant être déstabilisé
par application d'un champ magnétique. On peut aussi mentionner la synthèse de nanoparticules de cobalt à partir de
précurseurs moléculaires contenant l'élément magnétique.
Un deuxième thème du groupe étudié très activement concerne la synthèse de matériaux magnétiques à base
moléculaire. Pour les carboxylates de métaux de transition, de nouveaux aimants chiraux ont été découverts par
l’utilisation de ligants chiraux. Ils cristallisent dans des structures 1D à 2D ou 3D et présentent des comportements
ferrimagnétiques. L'utilisation de ligands riches en électrons π, quant à elle, permis la synthèse et l'étude des
propriétés magnétiques de composés à base de Cu(II), Co(II), Ni(II). Outre ces nouveaux matériaux magnétiques dont
les propriétés magnétiques sont modélisées, une autre classe de composés est obtenue par voie hydrothermale. Les
mises en ordre magnétiques ont été étudiées par diffraction des neutrons. Enfin, une dernière famille de composés
est constituée par des matériaux lamellaires obtenus par greffage de molécules sur des feuillets inorganiques
magnétiques. Il en résulte un réseau de molécules organisé dans lequel la fonctionnalité des molécules a permis la
première mise en évidence du couplage entre aimantation et luminescence. Ce thème est prolongé en collaboration
avec le GMO, par le greffage de molécules sur nanoparticules préparées dans le groupe. La richesse de la physique de
ces composés fait l'objet d'études sur les relations structures-propriétés avec l'utilisation de lois d'échelle, pour
décrire les propriétés, et de calculs de structure électronique.
Le dernier thème concerne les oxydes pour l'électronique de spin, ce qui a motivé l'étude des semi conducteurs
dilués type ZnO dopé cobalt, sous forme massive ou film mince. Ces études ont mis en évidence la présence de
ferromagnétisme indépendant de la concentration en cobalt et l'étude par dichroïsme circulaire a montré l'absence de
moment porté par les cations métalliques et la présence d'un moment sur l'oxygène. C'est donc la présence de défauts
sur le réseau anionique qui est responsable du ferromagnétisme observé par mesure macroscopique d'aimantation.
Une étude très poussée de la double pérovskite Sr2FeMoO6 a aussi été conduite pour exploiter la forte polarisation en
spin, présentée par ce composé à la température ambiante, dans des empilements à jonction magnétique tunnel. Des
multicouches épitaxiées ont été déposées par ablation laser pulsée. Cependant, la diffusion du fer aux interfaces a
limité les performances de ces jonctions. D'autres multicouches visant à produire des couches bloquantes dans les
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dispositifs magnétorésistifs basés sur l'empilement CoFe2/CoFe2O4 ont été réalisées. En jouant sur les conditions de
dépôts, des multicouches présentant des comportements magnétiques très différents ont pu être élaborées. Ces
études sur les couches magnétiques ont depuis été complétées par celles de couches de matériaux multiferroïques.
Ces études fondamentales sont prolongées par des études plus applicatives dans le cadre de contrats. On peut
mentionner par exemple, l'étude de plaquettes de ferrites NiZn dispersées dans des polymères pour l'absorption
électromagnétiques ou le stockage de déchets nucléaires dans des matrices de perlite.
Il faut souligner que les thèmes de ces groupes savent évoluer et des perspectives prometteuses sont
présentées. En particulier, le démarrage d’une activité sur les matériaux hybrides inorganiques/organiques en
collaboration avec le GMO pour le photovoltaïque méritent d'être soulignés.
La forte activité de ce groupe au sein de l'institut est particulièrement illustrée par sa forte implication dans
les thèmes transverses: électronique de spin, nanoparticules fonctionnalisées, magnétisme moléculaire, opales
artificielles pour la photonique et biomatériaux.
De fortes synergies avec les laboratoires extérieurs à l'IPCMS permettent à ce groupe de se faire reconnaître au
niveau international et il faut souligner le démarrage d'un nouveau projet européen du 7ème PCRD porté par le GMI.
L'ensemble de ces travaux de recherche donne lieu à une productivité scientifique importante (4.8 publis/an/Ch) et
de qualité, cette dernière se traduisant par un souci de publier dans des revues à facteurs d'impact élevés. Compte
tenu du rôle structurant du GMI au sein de l'institut, il faudra veiller à maintenir les compétences de ce groupe au
meilleur niveau en anticipant les futurs départs à la retraite.
1.5. Groupe des Matériaux Organiques (GMO)
Le Groupe des Matériaux Organiques (GMO) présente une composition très équilibrée avec 8 chercheurs CNRS,
6 enseignants-chercheurs, 6 ITA/IATOS, à côté desquels ont travaillé durant le quadriennal 1 ITAOS (CDD), 4 postdoctorants et 13 doctorants soit, en moyenne, un doctorant par chercheur. Le dynamisme du groupe s’est traduit sur
la période 2003-2007, par 172 publications, 3 chapitres d'ouvrages, 47 conférences invitées et 11 thèses soutenues.
Le Groupe des Matériaux Organiques développe une activité de recherche dans le domaine des nanosciences en
parfaite cohérence avec celle de leurs collègues chimistes du groupe des Matériaux Inorganiques (GMI). Concevoir et
synthétiser des matériaux moléculaires est l'activité de base du GMO, que ce soit sous la forme d'architectures
dendritiques, précurseurs de nanostructures organiques ou de cristaux liquides fonctionnels. La première stratégie est
illustrée par :
•
des dendrimères auto-organisés avec des propriétés de luminescence ou d'absorption à deux photons,
•
des polymères dendronisés à morphologie cylindrique et à surface fonctionnalisable,
•
des chélates dendritiques biocompatibles pour l'Imagerie Médicale (IRM) et la radiopharmacie et des
fullérodendrimères.
La capacité de synthèse d'architectures complexes et exemptes de défauts mérite d'être soulignée. La
propension des composés cristaux-liquides à s'auto-organiser est, pour sa part, exploitée sous différentes formes, qu'il
s'agisse de cristaux-liquides semi-conducteurs, d'élastomères cristaux-liquides orientés, ou de cristaux-liquides de type
donneur-accepteur-donneur capables de s'auto-structurer en films adaptés à la conversion photovoltaïque. Un axe de
recherche innovant passe par la synthèse de liquides ioniques mésomorphes. Ces électrolytes supramoléculaires
donnent naissance à des matériaux doués d'une anisotropie de conduction et applicables en photovoltaïque et en
discrimination de rayonnements ionisants. L'auto-structuration des liquides ioniques fait partie des activités de
recherche futures, au même titre que les clusters organométalliques étudiés comme molécules-aimants. Ces clusters
seront fonctionnalisés par des dendrimères afin d'en faciliter la manipulation et l'organisation spatiale dans le but de
fabriquer des réseaux dont les nœuds magnétiques communiquent par l'intermédiaire de liens fonctionnels
adressables, les objectifs lointains étant la réalisation de nouveaux dispositifs (mémoires magnétiques, réseaux de
neurones…). De façon générale, l'évolution des structures dendritiques vers des systèmes hybrides, en étroite
collaboration avec le GMI, s'inscrit dans les perspectives futures, de même que la poursuite du projet "Spectroscopie
tunnel à spin polarisé" dans le but d'étudier le transport de spin à travers des atomes et des molécules.
Les recherches du GMO sont ambitieuses. Elles s'inscrivent dans le développement de nanotechnologies de
pointe, via l'apport d'un savoir-faire de synthèse organique et une importante capacité de collaboration : interne à
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l'IPCMS, via des opérations transverses régionale (projet MONACOP), nationale (projets ANR, ACI nanosciences…) et
internationale (réseau RTN, action COST, réseau d'excellence MAGMANet, contrat européen FULCE…). Le départ
récent de deux enseignants-chercheurs, dont les activités étaient liées aux neurosciences et à l'Imagerie Médicale, est
de nature à affaiblir les moyens humains disponibles à la plateforme multifonctionnelle, constituées par les matériaux
hybrides inorganiques-organiques à destination biomédicale. Une attention particulière devrait être portée à cette
situation.
2. Moyens communs du laboratoire
•
2.1. La plateforme de nanofabrication CN2S.
L’institut a mis en place une salle Blanche de micro/nanofabrication pour la réalisation de nano-objets
nécessaires pour aborder des projets de recherches ambitieux, comme par exemple l’électronique de spin, les études
de décalage Doppler des ondes de spin mais aussi une ouverture vers la biologie et une start-up . Il s’agit d’une
centrale de proximité labellisée en 2002 et qui est en réseau avec les plate-formes de Nancy et de Besançon
(communauté du Grand Est). Cet outil intègre la plupart des équipements de lithographie optique et électronique et
assure à la fois des fonctions d’enseignement et de recherche. Des projets d’extension sont affichés avec la
construction d’une deuxième salle blanche programmée dans le cadre du prochain CPER. Afin d’optimiser le
fonctionnement de cet outil et une ouverture maximale vers de nouveaux sujets, une réflexion interne pourrait être
menée sur la réunification des outils de lithographies optique et électronique dans une même salle et éventuellement
sur la mise en place d’un groupe d’Ingénieurs et Techniciens en charge du fonctionnement autonome des groupes de
recherche.
•
2.2. La plateforme TEM 3D analytique
L’institut vient de s’équiper d’un microscope a transmission analytique Jeol 2100F en complément du
microscope Topcon existant. Au delà des possibilités d’imagerie haute résolution offerte à la communauté, le
laboratoire s’est engagé dans une démarche volontariste de recherche dans le domaine de la microscopie 3D. Cette
activité, initiée avant l’arrivée du nouveau microscope a déjà donné des résultats très intéressants dans le domaine
des nanofils de CoFeO4 insérés dans des nanotubes de Carbone et des matériaux poreux. Une action de recherche
dans l’imagerie holographique est aussi programmée. Ces activités de recherche, menées parallèlement à une
ouverture de l’instrument vers l’ensemble des groupes du laboratoire (et au-delà), doivent être encouragées et
apparaissent clairement comme transverses à l’Institut.
•
2.3 Utilisation du rayonnement synchrotron
L’institut a une contribution active dans les recherches menées sur les grands instruments nationaux. Il
continue à jouer un rôle majeur dans le développement du rayonnement synchrotron en France. Une grande partie de
l’activité est centrée autour de l’instrument de XMCD comprenant un cryostat He liquide et des aimants
supraconducteurs. Le bâti est installé sur diverses synchrotrons ce qui suppose un effort humain considérable et des
dépenses non négligeables. En ce qui concerne le futur, un nouveau bâti est en train d’être construit à Soleil par les
chercheurs de l’IPCMS.
En matière de rayonnement synchrotron, les principales activités de recherche concernent le magnétisme
moderne : études XMCD de semi-conducteurs dopées, oxydes comme TiO2, clusters ; études PEEM de XMCD et XLMD
de interfaces ferro/antiferro ; expériences résolues en temps de dynamique de spin. Il faut aussi signaler l’activité à
l’ESRF où des expériences structurelles (Diffraction de Surfaces et EXAFS) on été réalisées ainsi que des mesures de
dichroïsme sur ID08.
L’ensemble des résultats est de très grande qualité et au cœur de l’actualité scientifique. Il faudrait
cependant éviter la dispersion des moyens humains des équipes et trouver les outils organisationnels pour assurer plus
de cohésion dans ce domaine, sans toutefois remettre en cause le dynamisme et l’implication importante de plusieurs
groupes du laboratoire.
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5 z Analyse de la vie de l'unité
Le comité de visite s’est entretenu avec les représentants du laboratoire. Il en ressort que les personnels sont
attachés à leur institut et ont plaisir à y travailler. Les problèmes inhérents à la vie d’une structure de cette taille
sont gérés efficacement. Le personnel tient toutefois à noter que le rôle du conseil de l’institut n’est pas très clair. Il
existe effectivement deux autres structures qui participent à la gouvernance de l’IPCMS : le comité de direction et le
Conseil scientifique. Une clarification du rôle des différents conseils ainsi qu’une plus large consultation du conseil
d’institut, dans lequel siègent des représentants élus des différentes catégories du personnel, notamment sur les
choix scientifiques est souhaitable.
Les personnels techniques dépendent de deux établissements différents, le CNRS et l’ULP. Cela conduit à des
disparités de statut et de traitement en termes de formation, de promotion ou de primes. Le comité salue l’action
volontariste de la direction de l’IPCMS pour gommer une partie de ces disparités. Le comité tient à saluer la
gouvernance du laboratoire pour sa gestion des carrières des ITA/IATOS et la procédure utilisée pour le choix des
promotions des ITA/IATOS.
L’intégration des étudiants par les équipes est tout à fait satisfaisante. En revanche, on peut regretter
l’absence de vie étudiante propre à l’institut comme par exemple des séminaires étudiants.
Le bilan des actions relevant du CHSCT est inclus dans le rapport de l’IPCMS. Il se réunit deux fois par an et ses
rapports sont diffusés à tout le personnel sous forme papier et via intranet.
La formation a fait l’objet d’un excellent suivi. Les besoins sont recensés annuellement lors des entretiens
individuels, puis regroupés par les responsables de groupes afin d’établir un plan formation annuel. Ce plan est
présenté au conseil de l’institut et est ensuite envoyé aux deux organismes de tutelle. Au cours de la dernière période
(2004-2007), plus de 350 actions de formation ont été menées. Elles ont concerné 174 personnes.
6 z Conclusions
Le comité remercie l’équipe de direction actuelle de l’IPCMS pour l'excellent travail accompli et lui assure sa
confiance pour conduire l’institut dans le prochain quadriennal. D’une manière générale, l’impression du comité sur
ce laboratoire est excellente. La production scientifique est fructueuse et de très bonne qualité. La structure de
l’Institut est tout à fait pertinente et a contribué à ce succès scientifique. En particulier, la structuration thématique
est fortement dynamisée par des axes transverses qui sont souvent portés par de jeunes chercheurs. Le comité tient à
noter le rôle structurant de l’institut que ce soit au niveau régional, national et aussi international, ainsi que son
ouverture sur l’extérieur, notamment avec l’arrivée de plusieurs chercheurs étrangers.
Le comité tient à féliciter l’institut pour sa production scientifique, digne d’un grand laboratoire à
rayonnement mondial, tant en quantité, avec environ 190 publications par an, qu’en qualité. La volonté de l’institut
de s’attacher à publier dans des revues de fort impact s’est en effet traduite par une augmentation de 50% du facteur
d’impact moyen des revues dans lesquelles les articles on été publiés.
Le comité a relevé l’action de l’institut pour maintenir le nombre de doctorants, avec en moyenne 16 thèses
commencées chaque année, soit une présence moyenne de 55 thésards pour 76 chercheurs et enseignants chercheurs.
Il faut toutefois noter que ces chiffres cachent une disparité importante entre les disciplines, on trouve
proportionnellement plus d’étudiants dans les groupes de chimie (GMI et GMO) que dans les groupes de physique.
Points forts :
•
Pertinence de l’organisation de l’institut: la structuration thématique est fortement dynamisée par
des axes transverses qui sont souvent portés par de jeunes chercheurs.
•
Les 5 groupes de recherches de l’institut sont dans leur domaine au plus haut niveau international
avec de fortes synergies entre les équipes.
•
Excellente production scientifique, tant en quantité qu’en qualité.
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•
L’institut a un rayonnement très important que ce soit au niveau régional, national et aussi
international.
•
Grande ouverture sur l’extérieur, notamment avec l’arrivée de plusieurs chercheurs étrangers de très
haut niveau qui ont impulsé de nouvelles thématiques.
•
Très bonne gouvernance qui a permis à l’institut de faire des choix pertinents pour lui donner les
moyens de jouer dans la cour des grands laboratoires européens.
•
Capacité à mobiliser les moyens de l’institut pour la mise en place d’équipements communs lourds.
•
Très fort investissement des équipes de l’institut dans les grands instruments en particulier du
rayonnement synchrotron.
Points à améliorer :
•
La communication interne pourrait être encore améliorée, notamment au niveau du conseil d’institut
et de la communication scientifique étudiante.
•
Le comité regrette que le nombre de HDR soutenues soit si faible (8 sur 4 ans dont aucune en 2006 et
2007).
•
L’ancrage en direction du monde industriel reste très modeste, ce qui se traduit par un faible nombre
de contrats industriels.
Recommandations :
•
Maintenir la haute qualité scientifique de l’institut en particulier par le recrutement de chercheurs et
d’enseignants-chercheurs de haut niveau, et une bonne gouvernance du laboratoire permettant de
faire les choix scientifiques pertinents.
•
Poursuivre dans la mise en place d’équipements communs lourds qui contribue significativement à
l’attractivité de l’IPCMS. Il conviendra toutefois de veiller à l’équilibre entre leur utilisation en tant
que service et le développement de thématiques propres, toutes deux nécessaires.
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