Contrôle de la chimie des interfaces dans les empilements de nanofeuillets réactifs – CIREN

CIREN a pour objectif l’étude fondamentale des couches d’interfaces (zones de mélange des espèces) dans les empilements de nanofeuillets réactifs dans le but ultime de les contrôler. Les systèmes nanolaminés réactifs à base de métal suscitent un vif intérêt dans la communauté des nano matériaux énergétiques et des microsources d’énergie car ils sont caractérisés par une densité d'énergie élevée, une réactivité réglable; ils sont non polluant et « sûrs ». Intégrés dans des dispositifs, ils constituent alors des microsources thermiques et d’actionnement intéressantes pour des applications diverses dans les domaines civils, spatial ou militaire. A ce jour, des nanolaminés réactifs à base d'Al sont explorés dans des micro initiateurs, micro détonateurs pour remplacer des matériaux énergétiques dangereux et ne répondant plus à la réglementation REACH ; d’autres sont explorés dans des micropiles thermiques, des assemblages pour effectuer de la soudure in-situ et aussi, comme agent de neutralisation de produits chimiques dans des systèmes miniaturisés. La plupart des études sur les nanolaminés réactifs ont permis d’établir la relation structuration - propriétés mécaniques et thermiques. Or, les interfaces quoique très peu étudiées, jouent un rôle crucial lors de la synthèse et pour la production d’énergie (densité et réactivité) dans des dispositifs miniaturisés, si bien que l'émergence des nanolaminés réactifs en tant que matériau pour la production d'énergie est conditionnée par la compréhension du rôle des interfaces, par la réalisation d’interfaces chimiquement contrôlées pour les rendre stables et réglables en performance. CIREN propose de mettre en place les outils technologiques, théoriques et expérimentaux pour : (1) comprendre la chimie de formation des interfaces entre l’Al et un oxyde ainsi que son rôle dans la réaction, par spectroscopie in-situ, imagerie électronique et calculs DFT, (2) déposer des couches d’interfaces de haute qualité, ultraminces et chimiquement contrôlées en ALD en combinaison avec des techniques de dépôts PVD et de nanostructuration pour régler la quantité d'interface. Deux verrous scientifiques et technologiques sont donc clairement identifiés et traités par CIREN : 1. la modélisation de la forte exothermicité (5-8eV) des mécanismes d’oxydation qui génèrent des 'atomes chauds' et donc des défauts ou simplement une accélération dans le processus de mélange atomique. La dynamique moléculaire est aujourd’hui capable de traiter des réactions exothermiques mais est limitée à des temps simulés très court (ns-µs). Elle ne permet pas de traiter la formation des interfaces qui s’opère sur des durées de processus plus longues. Nous proposons une méthodologie basée sur une technique de Monte Carlo Cinétique en intégrant un module permettant de traiter les réactions à forte exothermicité à l’échelle atomique. Ce nouveau module (Hyperthermal-KMC) constituera les bases d'une TCAD dédiée à la conception et à la nano ingénierie des nanolaminés reactifs. 2. Afin d’accompagner la compréhension de la chimie de formation des interfaces réactives, notre ambition est de préparer des surfaces modèles, c à d des surfaces contrôlées cristallographiquement qui permettront d’une part de valider les modèles mais aussi de déposer des couches ultra-fines d’Al2O3 contrôlées chimiquement pour quantifier leur rôle sur les propriétés du matériau. La force de CIREN est l’association autour d’une problématique technologique, de l'expertise du LAAS dans la synthèse PVD et caractérisation thermique de nano feuillets réactifs, de celle de l'UTD en dépôt ALD, caractérisation des surfaces in situ et caractérisation physico-chimique ex situ. Et enfin, celle de l’équipe du LAAS sur la modélisation multi-échelle permettant d’appuyer les données expérimentales de spectroscopie pour assoir la compréhension fine des processus chimiques et proposer des outils de modélisation pour la conception des matériaux énergétiques du futur.