1 - Cristallographie avancée de l’état solide

La relation entre la structure cristalline et les propriétés des matériaux étudiés dans l’équipe MIOPS (chalcogénures, oxydes, hybrides, POM…) ou au travers des axes transverses « chalcogénures » et « matériaux hybrides » de l’IMN est au cœur de nos préoccupations. Les propriétés en question recouvrent l’optique, le magnétisme, le transport électronique ou ionique ainsi que la réactivité chimique (e.g., sous pression de vapeur d’eau). La notion de structure, compte tenu de la complexité de l’organisation atomique des matériaux et de son intrication subtile avec les propriétés susmentionnées, s’appréhende de façon multi-échelle.

Dans cette optique, nous avons développé une expertise reconnue en cristallographie avancée de l’état solide, essentiellement par diffraction et diffusion totale des rayons X et des neutrons, techniques complétées par la microscopie électronique en transmission ou la spectroscopie d’absorption des rayons X. Nous nous intéressons au désordre et aux phénomènes de mise en ordre dans les solides en général y compris dans les matériaux en couche comme les chalcogénures ou les systèmes à anions mixtes. Des approches innovantes sont développées au laboratoire (PEDT ; IA & DRX ; calculs de prédiction structurale & PDF – collaboration équipes ID2M et PMN) ou sur grands instruments (tomographie computationnelle par DRX, études in situ/operando combinées DRX/PDF/XAS). Nous assurons également le rôle de référent scientifique du plateau DRX de la plateforme PLASSMAT.

Expertises :

  • Résolution structurale ab initio sur poudre et monocristal par DRX et PEDT
  • Affinements de Rietveld, séquentiels ou paramétriques
  • Etude du désordre statique et dynamique par la méthode d’entropie maximale et le développement anharmonique des paramètres de déplacements atomiques
  • Analyses TLS des paramètres de déplacements atomiques
  • Détermination des structures cristallines maclées ou à fautes d’empilement
  • Détermination des structures cristallines incommensurables modulées ou composites incommensurables (misfits) : approche du superespace
  • Analyse de la fonction de distribution de paires (PDF) couplée à la diffusion totale des rayons X et des neutrons
  • Analyses microstructurales par diffraction
  • Etudes des transitions de phase structurales ou magnétiques
  • Diffraction in situ ou operando
  • Détermination des structures magnétiques par diffraction des neutrons

Mots clés : Cristallographie, Analyses PDF, Diffraction des rayons X, des neutrons, des électrons, Analyses structurales avancées, Analyses microstructurales, Matériaux en couches, maclés, modulés.

Collaborations : ISCR (Rennes), ICMCB (Bordeaux), UCCS (Lille), UMET (Lille), IRCER (Limoges), Institut Néel (Grenoble), CEMHTI (Orléans), SPMS (CentraleSupélec Paris), CRISMAT (Caen), SOLEIL (Gif-sur-Yvette), Kyoto University (Japon), Institut Jozef Stefan (Ljubljana, Slovénie).

Personnes concernées : O. Hernandez, P. Deniard, M. Caldes, H. Serier-Brault, D. Berthebaud, R. Gautier

Projets de recherche en cours : ANR PACHAS, ANR ALPS-Water, ANR COBEDIT, ANR MISFIT, PEPR DIADEM (MADNESS)

 Publications majeures :

  • New al-kali lanthanide-free polyoxometalates with remarkable water-responsive turn-off–turn-on luminescence properties, A. Bagghi, R. Ghena, N. Gautier, N. Stephant, P. Deniard, R. Dessapt, Journal of Materials Chemistry C 10 (42), 6040-16052 (2022)
  • Mechanochemical Synthesis and Study of the Local Structure of NaGaS2 Glass and Glass–Ceramics, L. Verger, J. Trébosc, B. Baptiste, E. Furet, K. Dénoue, J. Zhang, F. Cheviré, D. Le Coq, L. Calvez, O. Lafon, O. Hernandez, Inorganic Chemistry 61, 46, 18476-18485 (2022)
  • Design of metastable oxychalcogenide phases by topochemical (de)intercalation of sulfur in La2O2S2, S. Sasaki, M. T. Caldes, C. Guillot-Deudon, I. Braems, G. Steciuk, L. Palatinus, E. Gautron, G. Frapper, E. Janod, B. Corraze, S. Jobic, L. Cario, Nat. Commun. 12, 3605 (2021)
  • Lead Halide Post-Perovskite-Type Chains for High-Efficiency White-Light Emission, R. Gautier, F.  Massuyeau, G. Galnon, M. Paris, Advanced Materials 31, 14, 1807383 (2019).
  • A new highly sensitive cryogenic luminescent thermometer MOF built with pyromellitic acid, T. Amiaud, V. Jubera, H. Serier-Brault, Journal of Materials Chemistry C, 11, 10951-10956 (2023)

2 - Caractérisation avancée de solides par spectroscopie de photoélectrons

L’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN) est très actif dans les thématiques de spectroscopie de photoélectrons (SPE). Son personnel est très impliqué dans la Fédération de Recherche Spectroscopies de Photoémission ainsi que par le passé l’organisation d’école thématique XPS. La SPE est bien connu pour l’analyse d’états de cœur et l’identification d’environnements chimiques de surface. Au sein de MIOPS nous utilisons notamment ces techniques pour caractériser les matériaux impliqués dans les cellules solaires à base de Cu(In,Ga)(S,Se)2 ou de matériaux organiques, ainsi que des photocatalyseurs.

Mais l’expertise de MIOPS ne s’arrête pas là car nous utilisons également les pics Auger et la bande de valence pour avoir une compréhension encore plus fine de ces solides. Nous utilisons la versatilité de la SPE pour déduire, en plus des propriétés chimiques, des propriétés électroniques (e.g. différence en énergie entre le maximum de la bande de valence et le niveau de Fermi) et morphologiques (e.g épaisseurs de couches minces, tailles de nanoparticules). Nous menons par ailleurs des activités autour d’une part, l’analyse d’interfaces enfouies pour étudier ces propriétés chimiques et électroniques aux hétérojunctions et d’autre part, l’analyse de matériaux sous illumination. Ces éléments clés dans la compréhension du fonctionnement des cellules solaires ou photo(électro)catalyseurs.

Expertises : Caractérisation XPS, UPS, PES sous irradiation synchrotron, interfaces enfouies, modélisation du fond continu inélastique.

Mots clés : Matériaux, Ingénierie de structure électronique, Carburants Solaires, Photocatalyse, Photoélectrocatalyse,

Collaborations : Chimie Et Interdisciplinarité, Synthèse, Analyse, Modélisation (CEISAM), L’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR), Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement (IRCELYON), Institut de Chimie et Procédés pour l’Energie, l’Environnement et la Santé (ICPEES), Institut Lavoisier de Versailles (ILV), TU Darmstadt.

Personnes concernées : Maria Teresa Caldes, Sylvie Harel, Guy Louarn, Clément Maheu

Projets de recherche en cours : OMATSOLFUEL (MSCA-PF, 2023-2025), TASE MINOTAURE (2023-2027), TASE IOTA (PEPR, 2023-2028), PACHAS (ANR, 2025-2029)

Publications majeures :

  • V. Nikolaou, D. Romito, C. Maheu, J. Hamon, E. Gautron, F. Massuyeau, S. Jobic, F. Odobel, Dual solar-driven hydrogen evolution and alcohol oxidation with CdS quantum dot-sensitized photocatalysts prepared by the SILAR methodology, Journal of Materials Chemistry A, 2024, 12, 30885-30891.
  • P.Bais, M. T. Caldes, C. Guillot-Deudo, A. Renaud, M. Boujtita, S. Jobic, A. Lafond, Influence of the copper deficiency and anionic composition on band-energy diagram of bulk kesterite CZTSSe, Materials Research Bulletin, 2021, 139, 111285
  • S. Harel, L. Arzel, T. Lepetit, P. Zabierowski, N. Barreau, Influence of Sulfur Evaporation during or after KF-Post Deposition Treatment On Cu(In,Ga)Se2/CdS Interface formation, ACS Appl. Mater.Interfaces, 2020, 12, 41, 46953

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