Projet ANR-12-JS10-0011 – NANOTRIBELEC : Enquêtes sur les origines microscopiques de la triboélectrification à l'aide de plusieurs microscopes à sonde locale combinés avec un microscope électronique à balayage
Programme : JCJC - SIMI 10 - Nanosciences (JCJC SIMI 10)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Franck DAHLEM (LABORATOIRE DE TRIBOLOGIE ET DYNAMIQUE DES SYSTEMES)
Partenaires : Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes
Montant : 239200.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : NanoTribElecEnquêtes sur les origines microscopiques de la triboélectrification à l'aide d'un microscope à plusieurs sondes locales combiné avec un microscope électronique à balayage
L'origine microscopique de la triboélectrificationL'ANR JCJC NanoTribElec concerne l'étude microscopique de la triboélectrification. Ce phénomène de génération de charges électriques par contact ou frottement est mal-compris en particulier entre deux faibles conducteurs électriques et ses effets sur l'adhérence et l'usure sont encore inconnus. L'objectif de cette ANR est d'identifier et de quantifier ces tribocharges afin de les corréler avec les propriétés microscopiques de plusieurs matériaux en fonction de leurs conductivités électriques et de leurs défauts structuraux. La réalisation d'un microscope en champ proche à plusieurs sondes (topographique/électrique et de friction) combiné à un microscope électronique à balayage (MEB) permettra d'étudier sous environnement contrôlé cette  triboélectrification à l'échelle nanoscopique, voire atomique.
Multi-SPMs / SEML'ANR NanoTribElec reposera sur des mesures locales de topographie et de spectroscopie électrique réalisées par microscopie en champ proche. Dans cette optique, un microscope à plusieurs sondes (multi-SPM) est en cours de développement au sein du laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (LTDS). Il combinera in situ la microscopie à force atomique pour caractériser la topographie de surface (AFM) ou appliquer une force de frottement (LFM), la microscopie à force électrostatique (EFM / KPFM) afin de déterminer la distribution locale des charges électriques induites et la microscopie électronique à balayage (MEB) pour contrôler le positionnement spatial des sondes et/ou injecter des charges.
Résumé de la soumission : Le projet NANOTRIBELEC concerne l'étude microscopique de la triboélectrification, c'est-à-dire la génération de charges due au contact et aux frottements. Ce phénomène n'est pas encore bien compris en particulier entre deux mauvais conducteurs électriques et ses effets sur l'adhérence et l'usure ne sont pas élucidés. Ce projet est motivé par des questions de physique fondamentale, mais aussi pour sa pertinence dans le cas des nanotechnologies émergentes à base de NEMS ou de la nanopiézotronique, ainsi que pour son intérêt industriel à réduire l'usure et l'énergie perdue.Notre objectif est d'identifier et de quantifier les charges électriques générées par frottements et de les corréler avec les propriétés microscopiques de plusieurs matériaux ayant différentes types de défauts et propriétés électriques. Notre approche sera basée sur la microscopie en champ proche. Pour se faire, un outil unique sera développé qui combinent in situ la microscopie électronique à balayage (MEB)  pour réaliser une localisation spatiale grossière ou injecter des charges, la microscopie à force atomique (AFM) pour caractériser la topographie de surface ou appliquer un frottement et enfin la microscopie à force électrostatique (EFM / KPFM) afin de déterminer la distribution locale des charges électriques induites. Un tel microscope multi-sondes sera complètement polyvalent et évolutif afin d'offrir diverses possibilités d'étude pour de futurs étudiants de doctorat et autres membres de notre laboratoire de tribologie. Comme première utilisation, nous nous concentrerons sur l'origine microscopique de la triboélectrification dans  du  diamant et des semiconducteurs III-N car ces matériaux sont particulièrement importants pour les nano-sciences et la nanotechnologie.Ce projet combine plusieurs personnes travaillant dans différents domaines: F. Dahlem (expert en nanophysique et dans la mesure locale de charges électriques), D. Juve (experte sur l’utilisation et la modification de MEB), M. Guibert et Roux D. (experts en génie mécanique), M-I de Barros (experte dans la croissance du diamant), R. Songmuang (experte dans la croissance de couches minces et de nano-objects à base de divers semi-conducteurs), L. Galitre (chargée de communication au CNRS).
Résultats : Une première version du design du microscope est déjà dessinée et la partie liée à son fonctionnement est opérationnelle. Elle est composée d'une électronique de contrôle et d'un générateur de haute tension provenant des entreprises Nanonis et Attocube ainsi que d'une boucle à phase asservie (PLL) de chez Zurich Instrument. Avec cette électronique de contrôle, un premier test de résonance a été réalisé avec succès sur des leviers Akiyama.
Perspectives : Motivé par de nombreuses questions de physique fondamentale et par l'intérêt industriel à réduire l'usure et l'énergie perdue, les recherches associés à cette ANR se focaliseront dans un premier temps sur la question de l'origine microscopique de la triboélectrification dans du diamant et des semiconducteurs III-N. Ces matériaux sont particulièrement importants pour les nanotechnologies émergentes à base de NEMS ou en nanopiézotronique.  Par la suite, le caractère polyvalent et évolutif du microscope multi-sondes offrira de nombreuses perspectives d'étude.
Publications et brevets : Rapport de stage de Z. Wang sur 'les propriétés électriques locales de revêtement cuivre-DLC sondées par microscopie à balayage de résistance d'étalement'. Article en cours de rédaction.