Synthèse et caractérisation de monocristaux de phases MAX – MAXICRYST

Mn+1AXn est le nom générique d’une famille de carbures et nitrures ternaires à structure lamellaire où M est un élément de transition, A un élément des groupes III-A ou IV-A et X est soit C soit N. La structure de ces phases est constituée de couches d’éléments A intercalées entre des couches Mn+1Xn. Les phases MAX combinent des propriétés caractéristiques des blocs céramiques Mn+1Xn (raideur, résistance à l’oxydation…) et des propriétés caractéristiques des matériaux métalliques (conductivités thermiques et électriques, usinabilité, résistance à l’endommagement). Cette combinaison unique de propriétés ouvre un large champ d’applications potentielles. Les remarquables propriétés macroscopiques des phases MAX sont étroitement liées à celles de leur structure électronique et des couches atomiques qui composent la structure. Cependant leurs propriétés intrinsèques et leur anisotropie restent jusqu’à présent peu accessibles en raison de l’absence de monocristaux de grande dimension. Le principal objectif de ce projet est de lever les verrous technologiques limitant le développement de monocristaux de phases MAX et d’étudier leurs propriétés électroniques et mécaniques.

La faisabilité de la synthèse de phases MAX par précipitation dans des bains métalliques a déjà été clairement démontrée par différents auteurs. Dans ce projet, nous avons pour objectif de développer et d’adapter des techniques de croissance cristalline au cas des phases MAX afin de promouvoir et contrôler la croissance de cristaux de grande dimension. Pour ce faire, les mécanismes responsables de la croissance devront être élucidés et contrôlés. La structure lamellaire des phases MAX, et particulièrement la présence des couches d’atomes A faiblement liées, induit une réactivité originale avec la possibilité d’échanges réversibles des atomes A. Par conséquent, la décomposition des phases MAX, et en particulier l’exfoliation des couches d’atomes A, qui peut conduire à l’obtention de structures bidimensionnelles de type graphite sera également étudiée avec attention.

Les cristaux obtenus par croissance en phase liquide seront caractérisés dans le but d’acquérir leurs propriétés électroniques et mécaniques intrinsèques. Avec des cristaux de grande dimension, il sera possible d’étudier les propriétés selon différentes orientations cristallines et de corréler l’anisotropie attendue pour les propriétés à celle de la structure. Il est important de noter que les calculs ab-initio seront utilisés afin de corréler les propriétés physiques mesurées avec la structure électronique des phases MAX. Bien entendu, les propriétés des structures bidimensionnelles obtenues suite aux réactions d’exfoliation seront également étudiées.
Nous attendons de ce projet qu’il permette un saut significatif dans la compréhension des phases MAX ainsi que dans la maîtrise des voies de synthèse. En conséquence, il permettrait de combler une part significative du gap qui sépare encore ces phases de leurs applications potentielles.