Electrodes 3D déposées par plasma pour les micro-supercondensateurs

Janvier 2024 – Juin 2027

Coordinateur IMN du projet : Jérémy BARBE  (équipe PCM)

Personnels IMN impliqués :
Pierre-Yves JOUAN (PR UNIV), Marie-Paule BESLAND (DR CNRS), Thierry BROUSSE (PR CNRS), Nicolas GAUTIER (IE CNRS), Eric GAUTRON (IE CNRS)

Current research into micro-supercapacitors aims to increase energy density while maintaining high power density. Progress is mainly focused on the development of 3D architectures to increase the specific surface area. However, the conformal deposition of thin-film electrodes on 3D substrates remains a technological challenge. It is essential to develop a technique that enables conformal deposition of thin films on high aspect ratio microstructures, while offering sufficient freedom to control the microstructural and electrochemical properties of the deposited materials. The high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) technology has the potential to meet these objectives, as it benefits from a high degree of ionization of the sputtered material. The PERFORM project aims to study the conformal deposition of titanium nitride (TiN) thin-film electrodes by HiPIMS on high aspect ratio microstructured substrates for micro-supercapacitors. The project will be based on the new power source developed at IMN, enabling the generation of up to 6 synchronized voltage pulses, controlled to the microsecond, during a single discharge. Initially, the project will aim to characterize e-HiPIMS Ar-Ti-N₂ plasmas using time-resolved techniques such as mass spectrometry and optical emission spectroscopy (WP1). Then, advanced material characterizations (XPS, HRTEM...) will be carried out to understand how plasma parameters can influence the conformity and microstructure of capacitive titanium nitride and pseudo-capacitive vanadium oxynitride layers deposited on high aspect ratio silicon microstructures (WP2 and WP3). Finally, these 3D and nanostructured electrodes will be integrated and characterized as functional materials in micro-supercapacitors (WP4).

Bi-Based nanOmaterials for Photocatalysis

English Version

Octobre 2024 à Septembre 2028

Laboratoire coordinateur du projet : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, ICCF

Coordinatrice : Angélique BOUSQUET

Coordinateur IMN du projet : Mireille RICHARD-PLOUET, DR (équipe PCM)

Partenaires :
Institut Pascal-Clermont-Ferrand, ICCF

Institut Français du Pétrole Energie Nouvelle, IFPEN

Personnels IMN impliqués :
Maryline LE GRANVALET (MC UNIV), Nicolas GAUTIER (IE CNRS), Christophe CARDINAUD (DR CNRS), Aurélie GIRARD (MC UNIV), Etienne JANOD (DR CNRS), Bernard HUMBERT (PR UNIV), Jean-Yves MEVELLEC (IR CNRS), Franck PETITGAS (AI UNIV)

Financement total: 511 151,80 € dont 171 601,79 € pour l’ IMN

Les oxyfluorures de Bismuth sont des matériaux intéressants pour la photocatalyse car il est possible de faire varier la position de leurs bandes d’énergie en ajustant leur composition chimique.

Des travaux menés à l’Institut de Chimie de Clermont Ferrand (ICCF) ont pu montrer que ce contrôle était possible grâce à la pulvérisation réactive d’une cible de Bismuth en atmosphère Ar/O₂/CF₄. La gestion des débits de gaz permet en outre la synthèse en une étape d’hétérojonctions Bi/BiO_xF_y, dans lesquelles la présence de métal amplifie les propriétés photocatalytiques. Les premiers tests menés à l’Institut Français du Pétrôle Energies Nouvelles (IFPEN) montrent une photoconversion du CO₂ encourageante et une bonne sélectivité pour le CO, un carburant vert. Pour accroître ces performances, le projet BiBOP se propose de nano-hiérarchiser ces hétérojonctions, par pulvérisation en incidence oblique ou dans un liquide ionique. Puis d’en étudier l’effet sur les propriétés de photoconversion du CO₂.

Le contrôle de cette nano-structuration sera confié à l’ICCF qui possède une expertise en pulvérisation réactive. Le projet bénéficiera également des compétences en caractérisation des matériaux de l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN). Il déploiera des techniques d’analyses locales poussées, avec notamment leur appareil de microscopie à transmission : S/TEM « Nant’Themis » en développant des analyses in situ sous stimuli. Ces données expérimentales seront également couplées à la simulation des propriétés électromagnétiques des matériaux grâce à l’expertise de l’Institut Pascal (IP).

Enfin, le projet BiBOP associera un acteur français majeur en catalyse : l’IFPEN qui évaluera les performances des nanostructures pour la photo-conversion du CO₂. L’IFPEN apportera son expertise dans la compréhension des phénomènes photocatalytiques afin d’optimiser ces structures.

Finalement, le projet BiBOP utilise des procédés de synthèse innovants mais s’inscrit surtout dans une démarche de développement de nouveaux matériaux fonctionnels. Il utilisera une approche confrontant expérience et simulation. Ce projet a pour objectif de répondre à des enjeux sociétaux autour de la production d’énergie propre.

Maitrise de l'usinage par l'usage de multiples microcapteurs

02 Janvier 2024 – Juin 2027

Partenaire IMN du projet : Ahmed Rhallabi   (équipe PCM), Abdou Djouadi

Coordinateur :
Bertrand Garnier  LTeN
Partenaires :
LEM3 Univ. Lorraine, FEMTO Univ. Franche Comté

Personnels IMN impliqués : Ahmed Rhallabi   (équipe PCM), Abdou Djouadi

The purpose of MGIMS project is to develop and test thin film microsensors for temperature, tool wear and heat flux measurements in machining processes (grinding, turning). Our objective is to have a deep insight on the temperature distribution at micrometric and submicrometric levels so it is necessary to be as close as possible to the interface. Moreover, it is necessary to quantify the wear due to the material removal process and then accurately localize the new formed interface between the worn surface of the tool and the workpiece. For this purpose, temperature and wear sensors at microscale have to be used in parallel because one needs to quantify simultaneously the temperature and the reduction of the cutting edge. Thin films micro sensors are a good solution for such problem as they 1) thanks to their low dimensions allow to obtain measurements very close to the interface and to understand tool-workpiece interactions, 2) are reusable when the cutting edge is reduced thanks to the possibility of multiplying the number of sensors and optimizing their location on the cutting edge, 3) reduce the intrusive nature of sensors and 4) make their production noticeably easier.

Bi-Based nanOmaterials for Photocatalysis

Octobre 2024 à Septembre 2028

Laboratoire coordinateur du projet : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, ICCF

Coordinatrice : Angélique BOUSQUET

Coordinateur IMN du projet : Mireille RICHARD-PLOUET, DR (équipe PCM)

Partenaires :
Institut Pascal-Clermont-Ferrand, ICCF

Institut Français du Pétrole Energie Nouvelle, IFPEN

Personnels IMN impliqués :
Maryline LE GRANVALET (MC UNIV), Nicolas GAUTIER (IE CNRS), Christophe CARDINAUD (DR CNRS), Aurélie GIRARD (MC UNIV), Etienne JANOD (DR CNRS), Bernard HUMBERT (PR UNIV), Jean-Yves MEVELLEC (IR CNRS), Franck PETITGAS (AI UNIV)

Financement total: 511 151,80 € dont 171 601,79 € pour l’ IMN

Les oxyfluorures de Bismuth sont des matériaux intéressants pour la photocatalyse car il est possible de faire varier la position de leurs bandes d’énergie en ajustant leur composition chimique.

Des travaux menés à l’Institut Pascal à Clermont Ferrand (ICCF) ont pu montrer que ce contrôle était possible grâce à la pulvérisation réactive d’une cible de Bismuth en atmosphère Ar/O₂/CF₄. La gestion des débits de gaz permet en outre la synthèse en une étape d’hétérojonctions Bi/BiO_xF_y, dans lesquelles la présence de métal amplifie les propriétés photocatalytiques. Les premiers tests menés à l’Institut Français du Pétrôle Energies Nouvelles (IFPEN) montrent une photoconversion du CO₂ encourageante et une bonne sélectivité pour le CO, un carburant vert. Pour accroître ces performances, le projet BiBOP se propose de nano-hiérarchiser ces hétérojonctions, par pulvérisation en incidence oblique ou dans un liquide ionique. Puis d’en étudier l’effet sur les propriétés de photoconversion du CO₂.

Le contrôle de cette nano-structuration sera confié à l’ICCF qui possède une expertise en pulvérisation réactive. Le projet bénéficiera également des compétences en caractérisation des matériaux de l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN). Il déploiera des techniques d’analyses locales poussées, avec notamment leur appareil de microscopie à transmission : S/TEM « Nant’Themis » en développant des analyses in situ sous stimuli. Ces données expérimentales seront également couplées à la simulation des propriétés électromagnétiques des matériaux grâce à l’expertise de l’Institut Pascal (IP).

Enfin, le projet BiBOP associera un acteur français majeur en catalyse : l’IFPEN qui évaluera les performances des nanostructures pour la photo-conversion du CO₂. L’IFPEN apportera son expertise dans la compréhension des phénomènes photocatalytiques afin d’optimiser ces structures.

Finalement, le projet BiBOP utilise des procédés de synthèse innovants mais s’inscrit surtout dans une démarche de développement de nouveaux matériaux fonctionnels. Il utilisera une approche confrontant expérience et simulation. Ce projet a pour objectif de répondre à des enjeux sociétaux autour de la production d’énergie propre.

Development of a membrane-cell for in situ NAP-XPS characterization

Octobre 2022 - Mars 2027

Partenaire IMN du projet : Marie-Paule BESLAND  (équipe PCM)

Coordinateur :

Luis CARDENAS (IR with HDR (French degree))
Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (IRCELYON)

Partenaires :
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA) [Ecole Centrale de LYON]
CRYOSCAN (Start-Up from Institut Jean Lamour)

Personnels IMN impliqués :
Marie-Paule BESLAND (DR CNRS), Valérie BRIEN (CR CNRS), Agnès GRANIER (DR CNRS), Pierre-Yves JOUAN (PR UNIV), Mireille RICHARD-PLOUET (DR CNRS), Clément MAHEU (PostDoc april-august 2023 then CR CNRS since Oct 2023), Florian CHABANAIS (PostDoc sept 23 to June 24)

Total Financing: 407k€  with 118,5k€ for IMN

Heterogeneous photocatalysis offers the promise of powering critical chemical processes with highly abundant, ubiquitous, and renewable solar energy. In particular photocatalytic conversion of small molecules such as H2O, CO2, or more recently N2 into valuable fuels or chemical commodities has been the focus of an ever-increasing research effort for the past few decades. However, while significant progress has been made in photocatalyst design, there are still significant knowledge gaps in the understanding of catalyst active sites under operando conditions. Notably, UHV (ultra-high vacuum) - XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) has been used to study the active phase in catalysis, but its operation is restricted to the ante-mortem and post-mortem examination of catalysts, under conditions irrelevant to actual catalytic conditions. As such, developing Near Ambient Pressure (NAP) XPS will allow to bridge the gap between the kinetic performances of catalysts and molecular reactions under in situ conditions. Nowadays, commercial NAP-XPS is presented as an alternative. However, regardless of the manufacturer SCIENTA or SPECS, commercial NAP-XPS requires an expensive differential pumping system to increase the photo-electrons count rates in the context of signal attenuation by the gas phase

Here, we propose to develop a 2D membrane-cell device (NACELL, see Figure 1a) to carry out an operando XPS study on plasmonic photocatalytic thin films made of earth-abundant titanium oxynitride (TiO_xN_y) coated with Au and Cu nanoparticles (NPs) for the gas phase photocatalytic reduction of CO₂. Taking inspiration from natural photosynthesis, a photocatalytic gas-phase CO₂ reduction as a strategy to combine atmospheric CO₂ level mitigation with solar fuel generation. While a lot of work involve CO₂ bubbling through a photocatalyst suspension in water, recent studies have shown the possibility of flowing humid CO₂ at the surface of an illuminated photocatalyst Au NPs/TiO_xN_y decorated with an electrocatalyst such as Cu (used as-cocatalyst) NPs to generate CO or CH₄, thereby removing the need for the inefficient dissolution of CO₂ in water. Furthermore, depositing calibrated silver or gold NPs at the surface of photocatalysts can generate a well-known plasmonic effect, leading to enhanced light absorption and photocatalytic performance (Figure 1b). This strategy has recently been successfully employed to improve photocatalytic performance for the gas-phase CO₂ reduction to CO using water as an electron donor, achieving a CO production rate of more than 600 μmol.g^-1.h^-1 at the surface of an illuminated p-GaN/Al₂O₃/Au/Cu photocatalyst. For this, a dedicated cell will be designed and engineered, and experimental protocols for the routine characterization of photocatalytic materials will be developed (Figure 1).

English version

Maitrise de l'usinage par l'usage de multiples microcapteurs

02 Janvier 2024 – Juin 2027

Partenaire IMN du projet : Ahmed Rhallabi   (équipe PCM), Abdou Djouadi

Coordinateur :
Bertrand Garnier  LTeN
Partenaires :
LEM3 Univ. Lorraine, FEMTO Univ. Franche Comté

Personnels IMN impliqués : Ahmed Rhallabi   (équipe PCM), Abdou Djouadi

Résumé : L’objectif du projet est de développé un système combiné de multi-capteurs permettant de mesurer à la fois la température, les flux thermiques ainsi que l’usure d’un outil lors d’opération complexes d’usinage. L’IMN comme partenaire du projet aura pour charge de concevoir et de réaliser des capteurs sous forme de couches minces, d’élaborer un matériau permettant de les protéger et enfin de participer aux opérations de tests de ce multi-capteurs. Le projet MGIMS est soutenu par les entreprises « Airbus Helicopters » et « Safran Landing Systems ».

English Version

Electrodes 3D déposées par plasma pour les micro-supercondensateurs

Janvier 2024 – Juin 2027

Coordinateur IMN du projet : Jérémy BARBE  (équipe PCM)

Personnels IMN impliqués :
Pierre-Yves JOUAN (PR UNIV), Marie-Paule BESLAND (DR CNRS), Thierry BROUSSE (PR CNRS), Nicolas GAUTIER (IE CNRS), Eric GAUTRON (IE CNRS)

Les recherches actuelles sur les micro-supercondensateurs visent à augmenter la densité d'énergie tout en maintenant une densité de puissance et une durée de vie élevées. Les progrès se poursuivent principalement vers le développement d'architectures 3D afin d'augmenter la surface spécifique. Toutefois, le dépôt conforme d’électrodes en couches minces sur des substrats 3D reste un verrou technologique à lever. Il est essentiel de développer une technique qui permette le dépôt conforme de films minces sur des microstructures à fort rapport de forme, tout en offrant suffisamment de liberté pour contrôler les propriétés microstructurales et électrochimiques des matériaux déposés. La technologie de pulvérisation magnétron e-HiPIMS pourrait permettre d’atteindre ces objectifs car elle bénéficie d'un haut degré d'ionisation du matériau pulvérisé. Le projet PERFORM a pour objectif d’étudier le dépôt conforme d'électrodes de nitrure de titane (TiN) en couches minces par e-HiPIMS sur des substrats microstructurés à fort rapport de forme pour les micro-supercondensateurs. Le projet s’appuiera sur la nouvelle source d’alimentation développée à l’IMN permettant de générer jusqu’à 6 pulses de tension synchronisées et contrôlées à la microseconde près, pour une même décharge. Dans un premier temps, le projet visera à caractériser des plasmas e-HiPIMS Ar-Ti-N2 par des techniques résolues en temps telles que la spectrométrie de masse ou la spectroscopie d’émission optique (WP1). Puis, des caractérisations matériaux avancées (XPS, HRTEM…) seront menées afin de comprendre comment les paramètres plasma peuvent influencer la conformité et la microstructure de couches capacitives de nitrure de titane et pseudo-capacitives d’oxynitrures de vanadium déposées sur des microstructures de silicium à fort rapport de forme (WP2 et WP3). Enfin, ces électrodes 3D et nanostructurées seront intégrées et caractérisées comme matériaux fonctionnels dans des micro-supercondensateurs (WP4).

English version

Development of a membrane-cell for in situ NAP-XPS characterization

Octobre 2022 - Mars 2027

Partenaire IMN du projet : Marie-Paule BESLAND  (équipe PCM)

Coordinateur :

Luis CARDENAS (IR -HDR )
Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (IRCELYON)

Partenaires :
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA) [Ecole Centrale de LYON]
CRYOSCAN (issue de l'Institut Jean Lamour)

Personnels IMN impliqués :
Marie-Paule BESLAND (DR CNRS), Valérie BRIEN (CR CNRS), Agnès GRANIER (DR CNRS), Pierre-Yves JOUAN (PR UNIV), Mireille RICHARD-PLOUET (DR CNRS), Clément MAHEU (PostDoc avril-août 2023 puis CR CNRS depuis Oct 2023), Florian CHABANAIS (PostDoc sept 23 à June 24)

Financement total: 407k€  dont 118,5k€ pour l'IMN

L'IMN prévoit d'élaborer des films minces nanostructurés TiOxNy ayant un potentiel redox proche de la gamme du visible. L'Institut a choisi de mettre en place une ingénierie de bandes via des substitutions atomiques sur les réseaux anioniques et/ou cationiques par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) ou par pulvérisation cathodique magnétron, technique de dépôt de films minces métalliques (conducteurs) ou céramiques (isolants) utilisant un plasma (MS pour Magnetron Sputtering) afin de fournir au partenaire IRCELyon des matériaux "modèles".

La photocatalyse hétérogène met en jeu des processus chimiques qui donnent accès à une énergie solaire très abondante et renouvelable. Un effort de recherche a été consacré à la conversion de petites molécules telles que H₂O, CO₂ et N₂ en carburants ou produits chimiques. Malheureusement, il existe des lacunes importantes pour obtenir une compréhension fine des mécanismes intervenants sur les sites actifs des catalyseurs. Afin d'y remédier, la technique XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) en milieu ultra-vide (UHV) est beaucoup utilisée pour étudier la phase active en catalyse. Le développement de l'XPS à pression proche de l'ambiante (NAP pour Near Atmospheric Pressure) devrait permettre de combler le fossé entre les performances cinétiques des catalyseurs et les réactions moléculaires dans des conditions in situ.

Dans ce projet, le consortium propose de développer un dispositif de cellule à membrane-2D (figure 1a) qui permettra une étude XPS operando sur des films minces à propriétés photocatalytiques et plasmoniques à base d'oxynitrure de titane (TiOxNy). Ces films seront constitués d'éléments abondants sur terre et, leur seront associées des nanoparticules (NPs) d'or (Au) ou de cuivre (Cu) pour permettre une réduction photocatalytique du CO₂ en phase gazeuse. Afin d’atteindre cet objectif, une cellule dédiée sera conçue et réalisée et des protocoles expérimentaux pour effectuer une caractérisation de routine des matériaux photocatalytiques seront également développés.

L’école thématique CNRS de la Fédération de recherche de Spectroscopies de Photoémission (FR2050), dédiée à l’analyse de données XPS, a été organisée par l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN) du 25 au 30 Septembre 2022 au Croisic.
En tenant compte des 6 intervenants et des organisateurs, cette école a réuni un public international de 64 personnes. Parmi les 55 participants, ont été formés à l’analyse de données XPS 20 doctorants et post-doctorants, 6 industriels, 15 enseignants-chercheurs et 14 agents CNRS.
Un grand merci aux financeurs, intervenants et stagiaires qui ont contribué au réel succès de cet évènement.
Nos remerciements également au duo du service administratif de l’IMN : Isabelle Berthaud et Richard Baschera.

Vincent Fernandez, Aurélie Girard,
Jonathan Hamon et Mireille Richard-Plouet

L'équipe Plasmas et Couches Minces mène des recherches sur le développement de procédés plasmas froids. La stratégie de recherche fait appel à d’autres procédés physico-chimiques que les plasmas seuls : sol-gel, désalliage chimique. L’étude fine des mécanismes d’interaction plasmas/surface, la mise au point de nouveaux procédés plasmas, la mise en œuvre de modélisation en appui de l’activité expérimentale et l’optimisation de la synthèse d’un matériau à propriété donnée sont au cœur des activités de l’équipe.  Les projets de recherche concernent une large palette de secteurs :
-microélectronique,
-micro- et nano-technologie,
-opto-électronique,
-capteurs,
-énergie,
-revêtements et traitements de surface.

Les activités sont structurées selon trois thèmes de recherche : la gravure, le dépôt de couches minces et de nano-objets et nano-matériaux qui s’appuient sur un thème transversal de modélisation.

L’équipe collabore avec des partenaires extérieurs qui disposent des moyens technologiques de microfabrication pour l’intégration des matériaux dans un dispositif

 Réacteurs plasmas basse pression de gravure et de dépôt utilisés par l'équipe

Pulvérisation cathodique réactive (PVD)       
- 4 réacteurs (PEPVD) magnétron soit DC, RF, IPVD, HiPIMS
- 1 cluster avec sas et 2 chambres : 1 PECVD/PVD (ICP + 3 cathodes) et 1 chambre PVD 4 cathodes (3’’) + substrat polarisable RF chauffé (max 800°C)
- 1 réacteur avec sas et 3 cathodes magnétron 4’’ (site de La Chantrerie, Polytech)
- 2 réacteurs de pulvérisation cathodique mutualisés IMN  

PECVD                                                  
-1 réacteur ICP de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), avec 3 lignes injection organo-métalliques et 1 système d’injection solution liquide (DLI)

Gravure
- 2 réacteurs ICP chloré, fluoré, hydrocarboné, précurseurs organiques  (Alcatel, Nextral)
- Plateforme Optimist, porte-échantillon -180°/+1100°C