Projet ANR-12-BS10-0004 – NANOCELLS : Cellules ordonnées – une nouvelle phase de carbone
Programme : Blanc - SIMI 10 - Nanosciences (Blanc SIMI 10)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Florian BANHART (Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg)
Partenaires : Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg; Institut Neel; Laboratoire d'Étude des Microstructures
Montant : 540405.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Nanomatériaux cristallins avec une structure cellulaireLa synthèse in-situ et la caractérisation détaillée de nouvelles phases cellulaires de carbone et de silice sont effectuées. La croissance de ces phases sur des substrats métalliques est étudiée dans une collaboration de l’IPCMS à Strasbourg, de l’ONERA à Châtillon et de l’Institut Néel à Grenoble.
Couches cristallines de carbone et de siliceLe projet est consacré à l’exploration de nouvelles structures de carbone et de silice qui ont été récemment découvertes par l’un des partenaires. Il s’agit de phases de carbone et de silice organisées en cellules dont la formation sur des substrats métalliques a été observée à l’IPCMS à Strasbourg. Les observations in-situ en microscopie électronique montrent que la maille élémentaire de ces structures est de nature hexagonale et fait intervenir des liaisons avec les substrats métalliques. La croissance de ces structures sur des surfaces métalliques est en compétition avec celle du graphène et présente beaucoup de caractéristiques communes au graphène, comme par exemple, un ordre hexagonal semblable développé sur certains substrats métalliques et des types identiques de défauts structuraux.Les connaissances sur ces phases en sont encore à leur tout début et sont de ce fait très limitées. A ce stade, il est nécessaire de mener des études approfondies de croissance et de caractérisation pour trouver les conditions appropriées à la croissance de ces phases, notamment à plus grande échelle, et d’étudier ses propriétés par différentes techniques de caractérisation. La nucléation, la croissance et la structure de ces phases seront étudiées à différentes échelles.
Synthèse et caractérisation de nanophases cellulairesDifférentes expériences ainsi que la caractérisation seront menées depuis l’échelle microscopique jusqu’à l’échelle atomique par microscopie électronique en transmission à Strasbourg. L’échelle mésoscopique sera explorée en étudiant des substrats de taille centimétrique, grâce à l’accès privilégié de l’Institut Néel à un microscope électronique de basse énergie. Des expériences de croissance à l’échelle macroscopique et de caractérisation par diffraction in-situ en rayonnement synchrotron seront menées à Grenoble. Les différentes expériences de croissance réalisées aussi bien à l’échelle microscopique que macroscopique seront couplées à des caractérisations chimiques et structurales par spectroscopie de pertes d’énergie d’électrons à Châtillon. Les structures seront modélisées à Grenoble à l'aide de calculs ab initio, qui permettront de déterminer les structures les plus stables, les propriétés des défauts et les propriétés électroniques.
Résumé de la soumission : Le projet propose une collaboration entre l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux à Strasbourg (F. Banhart, coordinateur), l’Institut Néel à Grenoble (J. Coraux), et le Laboratoire d’Etude des Microstructures (LEM) CNRS-ONERA à Paris-Châtillon (A. Loiseau). Il est consacré à l’exploration d’une nouvelle structure de carbone qui a été récemment découverte par l’un des partenaires. Il s’agit d’une nouvelle phase de carbone organisée en cellules dont la formation  sur des substrats métalliques a été observée à l’IPCMS à Strasbourg grâce des observations in situ en microscopie électronique. La maille élémentaire de la structure est de nature tubulaire mais fait intervenir des liaisons hybrides sp2/sp3. La croissance de cette structure sur des surfaces catalytiques métalliques est en compétition avec celle du graphène et présente beaucoup de caractéristiques communes au graphène, comme par exemple, un ordre hexagonal semblable développé sur certains substrats métalliques et des types identiques de défauts structuraux.L’objectif du projet est de tirer parti de l’avance que les partenaires du projet ont, vis-à-vis d’autres groupes qui n’ont pas encore démarré de recherche sur ce sujet. Les connaissances sur cette phase en sont encore à leur tout début et sont de ce fait très limitées.  A ce stade, il est nécessaire de mener des études approfondies de  croissance et de caractérisation pour trouver les conditions appropriées à la croissance de cette phase, notamment à grande échelle, et d’étudier ses propriétés par différentes techniques de caractérisation. La nucléation, la croissance et la structure de cette phase seront étudiées à différentes échelles. Différentes expériences ainsi que la caractérisation seront menées depuis l’échelle microscopique jusqu’à l’échelle atomique par microscopie électronique en transmission à Strasbourg.  L’échelle mésoscopique sera explorée en étudiant des substrats de taille centimétrique, grâce à l’accès privilégié de l’Institut Néel à un microscope électronique de basse énergie. Des expériences de croissance à l’échelle macroscopique et de caractérisation par diffraction in situ en rayonnement synchrotron seront menées à Grenoble. Les différentes expériences de croissance réalisées aussi bien à l’échelle microscopique que macroscopique seront couplées à des caractérisations chimiques et structurales par spectroscopie de pertes d’énergie d’électrons à Châtillon. Les structures seront modélisées à Grenoble  à l'aide de calculs ab initio, qui permettront de déterminer les structures les plus stables, les propriétés des défauts et les propriétés électroniques.
Résultats : Les travaux dans le cadre du projet sont en cours et ont déjà montré des résultats intéressants. Une première publication a été soumise récemment à ACS Nano (F. Ben Romdhane et al., In-situ growth of cellular two-dimensional silicon oxide on metal substrates). 
Les premières études se concentrent sur la croissance de nouvelles phases cellulaires de carbone et de SiO2. Lorsque la phase cellulaire de carbone reste encore difficile à synthétiser, nous avons trouvé une phase cellulaire de SiO2 qui ressemble la phase cellulaire de carbone et qui mérite une étude détaillée. Les nanocellules de SiO2 cristallin sont très intéressants pour la réalisation de nouvelles couches isolantes avec une épaisseur bien-défini qui peuvent être techniquement supérieures aux couches de SiO2 amorphe. 
La compréhension de la croissance épitaxiale est indispensable pour la synthèse des couches cellulaires. Les expériences par microscopie électronique in-situ ont montré qu'il est possible de synthétiser les couches de SiO2 sur des différents substrats métalliques.
Autres travaux concernent la réalisation des cellules de carbone. La synthèse et caractérisation des couches de carbone est en progrès.
Perspectives : La synthèse de deux phases (carbone et silice) avec une structure similaire et sous des conditions similaires promet une vaste gamme d’études sur des différentes échelles dans l’avenir proche. En vue de la synthèse in-situ dans le microscope électronique, la progression des expériences sur une plus grande échelle sera le but principal de ce projet. En cas de succès, les structures cellulaires de carbone et de silice seront des matériaux très intéressants pour différents applications dans la nanoélectronique. Par exemple, les couches de silice ont une épaisseur bien-défini et peuvent servir comme des couches isolantes dans des gates des transistors.
Publications et brevets : Une publication sur la phase cellulaire de silice a été soumise à ACS Nano