Design d'Oxydes Fonctionnels nanostructurés – NanOxyDesign

En parallèle du développement des nanotechnologies, l'amélioration des performances de matériaux oxydes par la nanostructuration connait un essor important. Aussi, même si les matériaux oxydes nanocristallisés ont été étudiés depuis longtemps sous forme de couches minces, en particulier pour les dispositifs intégrés, ces technologies de type couches minces ne permettent pas de couvrir l'ensemble des applications possibles des matériaux oxydes, en particulier celle supposant l'utilisation d'objets macroscopiques. Dès lors, les possibilités récentes de nanostructuration de matériaux oxydes sous forme de céramiques par la méthode de Spark plasma Sintering sont de première importance du point de vue des applications.

La méthode SPS, installée en France en 2004, permet en effet la fabrication rapide de céramiques nanostructurées, avec des tailles de grains de quelques dizaines de nanomètres. Au début cette méthode était essentiellement utilisée pour des matériaux de strutcure de type intermétallique et l'extension aux matériaux oxydes est très récente. Aussi, le large spectre des propriétés des matériaux oxydes n'a pas été encore exploré sous forme de céramique nanostructurée. Les premiers travaux montrent cependant que des propriétés originales et parfois inattendues peuvent être observées et que celles-ci sont intimement liées à la stoechiométrie en oxygène du matériau. Parmi ces propriétés, signalons l'observation par deux équipes françaises d'une constante diélectrique géante au sein de matériaux de type BaTiO3 frittés par SPS. Aussi, l'intérêt pour les applications ainsi que l'exploration de nouvelles propriétés au sein des oxydes nanostructurées supposent de s'intéresser de près à l'influence de la stoechiométrie en oxygène du matériau et des joints de grains sur les propriétés étudiées.

L'objectif de ce projet est donc de développer une connaissance approfondie de la chimie des défauts au sein d'oxydes nanostructurées et d'utiliser cette connaissance pour designer de nouveaux matériaux oxydes aux propriétés améliorées. Les étapes pour atteindre cet objectif sont la fabrication de céramiques nanostructurées par SPS, le contrôle de la stoechiométrie en oxygène à l'équilibre ou hors équilibre thermodynamique, la mesures des propriétés fonctionnelles et la caractérisation des joints de grains à l'échelle nanométrique par des méthodes innovantes telles que la microscopie ultraSTEM ou la tomographie à sonde atomique. Ce programme de recherche sera réalisé grâce aux contributions complémentaires des partenaires suivants: 51) le laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides à l'Ecole Centrale Paris, (2) l'institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay, (3) le laboratoire de Physique des Solides à Orsay et (4) le groupe de Physique des Matériaux à Rouen. Les deux premiers partenaires sont une expérience reconnue dans le domaine de l'élaboration et de l'étude des oxydes fonctionnels. Les deux derniers partenaires ont des compétences de niveau mondial pour la caractérisation structurale et chimique à l'échelle de l'atome. Ce consortium de recherche est donc très compétitif au niveau international pour la fabrication et l'étude des céramiques nanostructurées.

Les propriétés fonctionnelles qui seront explorées au cours de ce projet sont: la conduction protonique dans BaZr1-xYxO3-x/2 et BaSn1-xYxO3-x/2, la constante diélectrique et les propriétés ferroélectriques dans des bronzes de formule Sr1-xBaxNb2O6, la thermoélectricité dans ZnO, la multiferroïcité dans BiFeO3. Tous ces matériaux représentent un panel large des propriétés que l'on peut rencontrer au sein de matériaux oxydes, allant depuis la conduction électronique ou ionique, jusqu'aux propriétés magnétique ou impliquant les phonons. Les propriétés explorées représentent également un enjeu important pour les technologies du futur en particulier pour les problèmes d'énergie.