CE09 - Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur

Contrôler les électrons dans des carbures innovants de basse dimensionnalité – MELODIC

Maîtriser les électrons dans des carbures de basse dimensionnalité

Les MXenes sont des matériaux fonctionnels formant la brique de base d'un nombre remarquable d'applications potentielles. Dans la littérature existante, il y a cependant un manque évident d'informations quantitatives sur les propriétés électroniques de base.

fabriquer des dispositifs MXene de basse dimensionnalité

Notre objectif est de développer les procédés technologiques appropriés pour isoler des feuillets de MXenes de surface importante avec des propriétés modulables de fonctionnalisation de surface et de caractériser leurs propriétés, principalement électroniques. Le but final est d'obtenir une vue globale des propriétés intrinsèques de MXenes fonctionnalisés. Ceci nous permettra d'identifier et de circonscrire les domaines où ces nouveaux matériaux 2D offrent des avantages compétitifs par rapport aux matréiaux alternatifs.

croissance cristalline.
Exfoliation mécanique et chimique.
Lithographie à faisceau d'électrons.
Techniques de microscopies (STM, EFM, KPFM).

1/ nous avons démontré, pour la première fois, que l’exfoliation mécanique par la méthode de bande adhésive peut être appliquée à des phases nano-lamellaires pour lesquelles les liaisons inter-plans ne sont pas faibles. Ceci ouvre la voie pour exfolier des solides nano-lamellaires, fait qui, jusqu’à aujourd’hui, semblait irréalisable du fait de la force de cohésion inter-plans.
2/ Nous pouvons désormais produire des MAXènes, des pendants des MXènes, qu’il serait impossible de produire par voie chimique, comme Cr2AlC.
3/ Nous pouvons appliquer le procédé d’exfoliation indépendamment de la nature de l’élément A. Par exemple, jusqu’à présent, il a été impossible d’exfolier par voie chimique la phase Ti2SnC, qui peut pourtant être exfolié mécaniquement.
4/ Il est désormais possible de produire des feuillets à quelques couches MX, où les couches d’élément A sont aussi conservées. Ceci est d’un intérêt considérable dans le cas de phases MAX plus “exotiques”, telles que la phase ferromagnétique Mo4Ce4Al7C3.

Nous étudierons la nature semiconductrice ou non de certains MXènes. l'hydrophilicité et le rapport optimal surface/volume ouvre la porte à des applications de capteurs biologiques. Notre étude permettra de quantifier à quelpoint de tels systèmes 2D peuvent être rendus sensibles à une variation de charge ou de polarisation au voisinage de leur surface.

1.D. Pinek, T. Ito, K. Furuta, Y. Kim, M. Ikemoto, S.I. Ideta, K. Tanaka, M. Nakatake, P. Le Fèvre F. Bertran and T. Ouisse, “Near Fermi level Ti3SiC2 electronic structure revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy”, Phys. Rev. B 102, 075111 (2020)
2.Y. Kim, A. Gkountaras, O. Chaix-Pluchery, I. Gélard, J. Coraux , C. Chapelier, M.W. Barsoum and T. Ouisse, “Elementary processes governing V2AlC chemical etching in HF”, RCS Advances 10, 25266–25274 (2020)
3.A. Gkountaras, Y. Kim, J. Coraux, V. Bouchiat, S. Lisi, M.W. Barsoum and T. Ouisse, “Mechanical Exfoliation of Select MAX Phases and Mo4Ce4Al7C3 Single Crystals to Produce MAXenes”, Small 16, 1905784 (2020)
4.A. Champagne, F. Ricci, M. Barbier, T. Ouisse, D. Magnin, S. Ryelandt, T. Pardoen, G. Hautier, M.W. Barsoum and J.C. Charlier, “Insights into the elastic properties of RE-i-MAX phases and their potential exfoliation into two-dimensional RE-i-MXenes”, Phys. Rev. Mat. 4, 013604 (2020)
5.T. Ouisse, D. Pinek and M.W. Barsoum, “Modelling in-plane magneto-transport in Cr2AlC”, Ceramics Int. 45, 22956-22960 (2019)
6.A. Champagne, O. Chaix-Pluchery, T. Ouisse, D. Pinek, I. Gélard, L. Jouffret, M. Barbier, F. Wilhelm, Q. Tao, J. Lu, J. Rosen, M. W. Barsoum, and J.-C. Charlier, “First-order Raman scattering of rare-earth containing i-MAX single crystals (Mo2/3RE1/3)2AlC (RE = Nd, Gd, Dy, Ho, Er)”, Phys. Rev. Mat. 5, 053609 (2019)

Notre projet est motivé par la découverte récente d’une famille (>20) de matériaux 2D appelés MXènes, obtenus à partir de phases nanolamellaires Mn+1AXn ou phases MAX. M est un métal de transition, A un élément des colonnes 13-15 et X=C ou N. La conversion 2D est obtenue par une gravure sélective des couches d’atomes A, produisant des feuillets avec diverses terminaisons de surface T. Tous les MXènes synthétisés jusqu’à présent sont des métaux 2D hydrophiles à forte densité d’états au niveau de Fermi. La théorie prédit qu’un gap peut être ouvert grâce à un choix approprié de T. Les MXènes sont des nanomatériaux fonctionnels formant la brique de base d’un nombre impressionnant d’applications potentielles : ils ont démontré des valeurs de capacité extrêmes (>1000Fcm-3), une forte conductivité électrique, un blindage électromagnétique excellent, ont été utilisés comme matériaux d’électrode pour batteries Li, surfaces catalytiques, pour le stockage d’hydrogène et des capteurs, pour citer quelques-unes de leurs propriétés exceptionnelles et à fort impact technologique. Dans toutes les données antérieures, il y a un clair manque d’informations quantitatives sur les propriétés électroniques de base des MXènes et/ou sur les hétérojonctions avec d’autres matériaux 2D. Pourtant, ces propriétés contrôlent in fine la performance de chacune des applications précitées. Manque aussi une bonne appréciation du rôle de la fonctionnalisation de surface sur les performances. Notre projet vise à combler ce gap en produisant des données permettant ensuite d’obtenir une connaissance complète des propriétés électroniques fondamentales des mono-feuillets de MXènes.

Notre objectif est de développer les procédés technologiques appropriés pour isoler des feuillets de grande surface avec une fonctionnalisation de surface modulable, et de caractériser leurs propriétés –principalement électroniques- ainsi que les propriétés d’hétérojonctions avec d’autres matériaux 2D, graphène ou BN. Le but final est d’obtenir une vue générale des propriétés intrinsèques des MXènes fonctionnalisés, et de fabriquer des hétérojonctions et des dispositifs commandés par grille avec des caractéristiques uniques. Cela nous permettra à terme d’identifier et de circonscrire les domaines d’application où ces nouveaux matériaux 2D offrent des avantages compétitifs par rapport à leurs concurrents.
Les MXènes sont obtenus à partir de poudres limitant leur taille autour du micron. Le LMGP est le seul laboratoire faisant croître des monocristaux de grande taille. Ceci nous permettra de produire des feuillets mieux contrôlés. Nous nous concentrerons sur deux aspects:

1/ nous synthétiserons des feuillets de grande surface et de stœchiométrie variable ; contrôlerons leurs terminaisons T, mesurerons le magnéto-transport dans des structures à grille adaptées ; créerons des hétérojonctions avec d’autres matériaux 2D. Aujourd’hui, il est largement reconnu que ces dernières peuvent être le siège de phénomènes physiques originaux. Nous voulons comprendre le transport électronique des MXènes et créer des matériaux fonctionnels dotés de propriétés originales. Connecter des métaux 2D aux matériaux 2D semiconducteurs ou isolants déjà existants est requis dans nombre d’applications 2D innovantes. Les MXènes pourraient remplir ce rôle et fabriquer des hétérojonctions forme le premier de nos deux buts principaux.
2/ Nous étudierons la nature semiconductrice prédite pour certains MXènes. Le caractère hydrophile et un rapport surface-volume optimal ouvrent la voie à des applications capteurs biologiques. Notre étude permettra d’apprécier quantitativement la sensibilité de ces systèmes à une variation de charge ou de polarisation près de leur surface. Nous introduirons aussi des lacunes de l’élément M pour réduire la conductivité de MXènes métalliques à des valeurs acceptables pour un bio-capteur. La réalisation d’un démonstrateur impliquant une hybridation d’ADN forme notre second objectif.

Coordination du projet

Thierry Ouisse (Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LMGP Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique
INEEL Institut Néel - CNRS
PHELIQS Photonique Electronique et Ingénierie Quantiques

Aide de l'ANR 441 940 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2019 - 42 Mois

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