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 ».

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).

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 :
Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (IRCELYON)
Partenaires :
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA)
CRYOSCAN

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)

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).

OMATSOLFUEL - Valence band engineering of oxidation materials for cheap and sustainable solar fuel production
(Projet Marie Skłodowska-Curie Individual Fellow)

Septembre 2023 - Août 2025

Coordinateur du projet : Clément MAHEU  (équipe PCM)

Personnels IMN impliqués :
Mireille RICHARD-PLOUET (DR CNRS)
Mayte CALDES (CR CNRS  équipe MIOPS)

Given the need to reduce our greenhouse gas emissions and our dependence on fossil fuels, there is a great interest in the development of solar fuels and especially solar H2. However, the production cost of solar H2 is still not yet competitive. Current strategies rely on converting water into H2 and O2, a low-value-added molecule. This is because process feasibility was based on the reduction half-reaction, with the oxidation half-reaction being secondary. In OMATSOLFUEL, the focus is shifted instead to the oxidation half-reaction. I will develop routes for the photoconversion of model glucose reactive mixtures and rich-glucose industrial mixtures. They are cheap, renewable, and could help micro industries become self-sufficient in fuels and energy. Instead of simply generating H2 and O2, the glucose will be photocatalytically converted into high-value-added molecules (e.g. arabinose or erythrose) and H2. These molecules would be highly interesting for plummeting the cost of solar H2 and replacing molecules produced by the petrochemical industry. To reach this objective I will design efficient and selective photocatalysts based on oxynitrides and novel chalcogenides structures. The main efforts will be on the electronic structure engineering by adjusting the S 3p, N 2p, O 2p, and metallic d orbitals to shift the valence band maximum and the oxidation potential of the photogenerated holes closer to the targeted glucose oxidation potentials. Powders and thin films will be synthesized by soft route methods and chemical or physical vapor deposition methods. The resulting morphology, structural and electronic properties will be characterized with the well-equipped platform of the Institut des Matériaux de Nantes (IMN), and in particular with photoelectron spectroscopy.

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

Nanocomposites en couches minces élaborées par plasma pour applications solaires thermodynamiques sous concentration
(Projet-ANR-19-CE08-0019)

Octobre 2019 - Septembre 2023

Partenaire IMN du projet : Antoine GOULLET  (équipe PCM)

Coordinateur :
Laboratoire procédés, matériaux, énergie solaire (PROMES Font-Romeu)
Partenaires :
Institut de recherches en ingénierie des surfaces (IREIS Andrézieux-Bouthéon)
Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute température et Irradiation (CEMHTI Orléans)CEMHTI Orléans)
Institut de Chimie (ICCF Clermont-Ferrand)

Personnels IMN impliqués :
Christophe CARDINAUD (DR CNRS), Nicolas GAUTIER (IE CNRS), Jonathan HAMON (IE CNRS), Mireille RICHARD-PLOUET (DR CNRS)

La conversion d’énergie est un secteur dont le développement est stratégique pour notre avenir. L’objectif de ce projet collaboratif est de développer des solutions multifonctionnelles nanocomposites haute performance pour la conversion solaire thermique sous concentration en électricité (CSP).

Les technologies CSP sont actuellement en plein développement (jusqu'à 25% de la production mondiale d'électricité prévue pour 2050). Néanmoins, les champs solaires des centrales CSP nécessitent une augmentation de leur rendement de conversion et un abaissement des coûts du fait qu'ils représentent, quelles que soient les technologies, environ 30% des coûts d'installation et 50% des pertes de rendement (miroir, protection, absorbeurs). Le projet NANOPLAST est focalisé sur le développement de revêtements performants pour les absorbeurs. Un des points importants est la durabilité des systèmes en fonction (#25 ans demandés). Des études de vieillissement des systèmes revêtus afin de prédire leur durée de vie sont donc impératifs alors que quasi-inexistant actuellement.

Dans le projet NANOPLAST, des procédés plasmas à faible impact environnemental et transférables à l’échelle industrielle seront développés. Leur versatilité permettra d’atteindre une large gamme de composition et de structuration 2D (multi-nanocouches) et 3D (inclusions à l’échelle nanométrique) en couches minces. Les performances thermo-optiques de structures nanocomposites (SiC/metal, TaON) seront évaluées par le consortium (4 laboratoires et 1 industriel) reconnus dans les domaines d’applications envisagées. Ce projet a pour ambition de répondre à la demande croissance de nanocomposites à l’échelle européenne par une compréhension intégrée de la chaîne complète, de la synthèse à l’évaluation des performances.

Face aux besoins pour le CSP, les objectifs visés par le projet NanoPLaST sont :

- le développement de matériaux nanocomposites multifonctionnels multi-couches
- élaborés par technologies plasma versatiles haute densité, à fort potentiel de transfert vers l'industrie
- à haut rendement de conversion héliothermique via la sélectivité spectrale
- à forte durabilité: résistance à haute température à l'air (500 < T < 700 °C) en conditions d'applications solaires et à forte tenue aux contraintes thermomécaniques.

Nanocomposites luminescents par injection pulsée de solutions colloïdales dans un plasma
(Projet-ANR-21-CE08-0011)

Octobre 2021 - Mars 2025

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

Partenaires :
Laboratoire de Chimie de Coordination (LCC Toulouse)
Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE Toulouse)

Personnels IMN impliqués :
Nicolas GAUTIER (IT CNRS), Antoine GOULLET (PR UNIV), Agnès GRANIER (DR CNRS)
Florian MASSUYEAU (IE CNRS), Jean-Yves MEVELLEC (IR CNRS), Nicolas STEPHANT (IE UNIV)
Julien CHEVET (Doctorant)

Les matériaux émetteurs de lumière blanche en raison de leurs applications potentielles dans des dispositifs d’éclairage et de supports d’affichage ont suscité, ces dernières années, un grand intérêt chez les chercheurs. Bien que la découverte d’une forte émission de lumière blanche par les pérovskites hybrides organiques-inorganiques d’halogénure de plomb a récemment donné un nouvel attrait dans cette recherche, cette dernière reste très intense et les phosphores inorganiques blancs comme l’oxyde de zinc continuent d’être les plus étudiés.

Afin de protéger les phosphores nanocristallins et de conserver leurs performances d’émission, une approche consiste à les intégrer dans un film transparent de nature organique ou inorganique. Parmi les oxydes correspondant à la caractéristique de matrice hôte, la silice a été identifiée comme candidat prometteur grâce à sa transparence mais aussi sa stabilité chimique, sa biocompatibilité et sa non-toxicité.

LuMINA vise à synthétiser des films minces nanocomposites basés sur des nanoparticules intéressantes sur le plan optique, intégrées dans une matrice protectrice et transparente aux UV.

Notre objectif est de préparer des films minces nanocomposites photoluminescents confectionnés à partir d’une solution stable de nanoparticules d’oxyde de zinc stabilisée par des ligands dans des solvants organiques et synthétisée au laboratoire.

Avant d’être caractérisées, les nanoparticules seront dispersées par injection de la solution dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) qui permet la synthèse d’une matrice de silice de haute qualité optique. La dispersion dans la matrice sera contrôlée et analysée afin d’évaluer si le processus plasma affecte la photoluminescence des nanoparticules.

Etude fondamentale des interactions plasma-surface dans les procédés de gravure cryogénique avancés
(Projet-ANR-20-CE24-0014)

Octobre 2020 - Septembre 2024

Partenaire IMN du projet : Christophe CARDINAUD  (équipe PCM)

Coordinateur :
Laboratoire des technologies de la microélectronique (LTM Grenoble)
Partenaire :
Groupe de Recherches sur l'Energétique des Milieux Ionisés (GREMI Orléans)

Personnels IMN impliqués :
Aurélie GIRARD (MC UNIV)

Initialement utilisée pour la gravure profonde du silicium, la gravure cryogénique consiste à graver des matériaux à très basse température, le substrat étant refroidi à l'azote liquide autour de -100° ou -150°C. Les procédés cryogéniques ont l'avantage de peu contaminer les réacteurs (les couches de passivation ne se forment que sur les surfaces froides), ce qui évite la dérive des procédés et les rend adaptés pour de nouvelles applications (intégration 3D IC/Si, MEMS) nécessitant des flancs lisses et une gravure sans dommage. Ainsi, l'intérêt scientifique et technologique pour la cryogravure ne cesse d’augmenter. La cryogravure de matériaux conventionnels (Si, Ge, GaN, InP) ou 2D émergents (graphène, MoS₂), de composés oxyde/nitrure, et de matériaux poreux SiOCH (low-K) est envisagée. Des procédés de cryogravure sans dommage ou hautement sélectifs dans des dimensions agressives (inférieures à 20 nm) sont aussi étudiés. Cependant, de nombreuses questions demeurent quant aux mécanismes fondamentaux impliqués dans la cryogravure. La formation, la stœchiométrie ou la désorption thermique des couches de passivation ne sont pas entièrement comprises. Et on en sait peu sur les différences entre réactions de surface élémentaires à température ambiante et cryogénique.

Dans ce contexte, le projet PSICryo vise à étudier les mécanismes fondamentaux d’interaction plasma-surface à température cryogénique, et à développer des procédés de cryogravure innovants (cryo-ALE) sur divers matériaux pour des applications micro-électroniques avancées.

Trois objectifs principaux sont ciblés. Le premier est de fournir un aperçu des réactions impliquées (physisorption, chimisorption) à l'échelle atomique. Le second vise à obtenir des informations quantitatives (nature, énergie, flux, temps de résidence) sur les espèces plasma (ions, radicaux, molécules stables) impactant le substrat, et à comparer leurs probabilités de réaction en surface (collage, pulvérisation, formation de sous-produits, etc.) à température ambiante et cryogénique. Le troisième est de corréler les conditions plasma et la température de surface avec la modification des matériaux exposés.

En termes de stratégie, le projet se concentrera d'abord sur la cryogravure du Si dans les plasmas SF₆/O₂ (avec ou sans étape SiF₄/O₂), un cas d’école mais une étape essentielle pour mieux comprendre les mécanismes fondamentaux d’interaction à basse température. La cryo-ALE du SiO₂ (avec des séquences d'adsorption de gaz C₄F₈ / plasma Ar) sera ensuite étudiée, afin de comprendre la nature des réactions (induites par les ions) entre molécules C₄F₈ physisorbées et SiO₂ dans ce procédé innovant. Enfin, le concept de cryo-ALE sera étendu et testé sur de nouveaux matériaux (TiN, TiO₂) d'intérêt pour la nanostructuration des oxydes de grille (high-K) et des contacts. Pour atteindre ces objectifs, nous développerons des simulations atomistiques (dynamique moléculaire), couplées à des diagnostics in situ avancés de la phase gazeuse (sondes, spectroscopie d'absorption UV-VUV, spectrométrie de masse, ellipsométrie) et des matériaux exposés (analyse XPS in situ). Grâce à cette expertise, nous apporterons des connaissances nouvelles et fondamentales sur une technologie connue mais seulement partiellement explorée (la cryogravure du Si en chimies fluorées), puis nous aborderons la cryo-ALE émergente de nouveaux matériaux pour des applications innovantes en microélectronique 3D. Ainsi, le projet devrait avoir un impact à la fois sur les technologies de gravure et les sciences de l’information et de la communication en général.

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

Du 13 au 16 juin à Piriac-sur-Mer, près d'une cinquantaine de chercheurs issus du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) pour la France et de l’Institut National de la Recherche Scientifique (INRS), l’Ecole Polytechnique de Montréal (Poly Montréal) et l’Université de Montréal (UdeM).pour le Canada ont participé au 8^e atelier de l’IRN NMC – Nanomatériaux Multifonctionnels Contrôlés organisé par l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel par Mireille Richard-Plouet et Agnès Granier.