Projet de recherche P6/42 (Action de recherche P6)
L’étude d’agrégats et de nanofilaments occupe une place importante dans le domaine des Nanosciences où le contrôle, à l’échelle nanométrique, de la taille des structures cristallines s’effectue suivant au moins deux dimensions. Les Nanosciences visent à comprendre les phénomènes physiques et chimiques à l’échelle atomique et moléculaire. Les Nanotechnologies permettent de manipuler précisément la matière et l’énergie à de telles dimensions. S’appuyant sur des propriétés électriques, magnétiques, optiques et structurales uniques, les Nanotechnologies vont révolutionner les architectures des ordinateurs et des dispositifs optiques et offrir un large éventail de nouvelles applications, notamment dans le domaine biomédical et de la catalyse. De la même manière que les antibiotiques, les transistors en silicium et les matières plastiques ont façonné la société du 20ème siècle, les Nanotechnologies vont influencer profondément le 21ème siècle.
L’objectif principal du projet est de façonner et de contrôler les propriétés structurales, optiques, magnétiques et électriques par l’ajustement de la taille, la forme, la structure et la composition d’agrégats et de nanofilaments. Le confinement des charges et des spins assurera le contrôle des états quantiques des nanoparticules et permettra d’atteindre les propriétés physiques désirées pour les différentes applications envisagées.
Ci-après, quelques problèmes importants qui seront abordés dans le cadre de ce projet :
• Quelle est l’influence de la taille et de la composition sur le stabilité structurale ?
• Comment les propriétés fondamentales en magnétisme peuvent-elles être comprises (en particulier le ferromagnétisme et le superparamagnétisme) par le biais de l’étude de très petites particules magnétiques ?
• Quelle est la relation entre la structure (incluant le confinement géométrique) et les propriétés fonctionnelles (en particulier, optiques, magnétiques et de transport électrique, incluant la supraconductivité) ?
• Comment les systèmes hybrides, où agrégats et nanofils de propriétés différentes sont combinés à l’échelle atomique, peuvent être utilisées pour (i) comprendre ces propriétés par le biais de leur confrontation et (ii) générer de nouvelles fonctionnalités (par exemple, structures magnétiques et semiconductrices, supraconductivité et magnétisme) ?
• A quel degré l’environnement chimique/physique d’un agrégat/nanofil peut-il modifier les propriétés ?
L’effort principal sera centré sur les agrégats et nanofilaments formés de métaux (magnétiques, supraconducteurs, ou encore d’éléments métalliques de propriétés chimiques différentes, …), de semiconducteurs, de structures carbonées et de combinaison de ces matériaux (“systèmes hybrides”). Pour fabriquer ces nanostructures, l’accent sera mis sur les démarches ascendantes (“bottom-up”), associées au dépot éléctrochimique et en phase vapeur (considérant tant la voie physique, telle l’épitaxie par jets moléculaires, que la voie chimique), l’auto-assemblage, l’implantation ionique, … Toutefois, la voie descendante (“top-down”), liée à l’utilisation de techniques de lithographie, ne sera pas négligée.
Les volets structuraux, chimiques et électroniques (incluant l’optique, le magnétisme et le transport électronique) formeront les axes essentiels de l’étude expérimentale. Diverses techniques performantes seront utilisées, telles la microscopie électronique à haute résolution, les microscopies à champ proche, la magnétométrie SQUID, la spectroscopie laser, la réflectométrie de rayons X, …
Les études de simulations constitueront un volet important, d’une part pour interpréter les observations expérimentales et d’autre part, pour fournir une optimisation du système envisagé et du contrôle de ses propriétés. Différentes techniques de modélisation seront disponibles dans le réseau, incluant notamment : simulations Monte Carlo et de dynamique moléculaire, éléménts finis, différences finies, approches ab-initio, optimisation globale, algorithmes génétiques …
Un seul laboratoire n’est pas en mesure de mener à bien un tel programme; une action intégrée rassemblant plusieurs laboratoires s’avère indispensable. Dans le cadre du précédent projet PAI (Programme V) portant sur les “Effets d’échelle quantique dans les matériaux nanostructurés”, le contrôle de la taille des structures était réalisé suivant au moins une dimension. Dans le cadre de ce projet, nous franchissons une étape supplémentaire et nous projetons d’étendre ce contrôle à au moins deux et, finalement, à trois dimensions.
