Nucléation, croissance par ensemencement et intégration de nanofils magnétiques – NIMRod

Le projet NIMRod a pour objectif de répondre à un besoin croissant en aimants permanents de taille contrôlée dans le domaine submillimétrique et adaptés aux dispositifs microélectroniques. Il s’appuie sur des résultats récents qui ont montré que (i) des assemblées denses de nano-bâtonnets magnétiques (monodomaines et monocristallins) peuvent constituer des aimants performants et que (ii) l’assemblage dirigé assisté par champ magnétique externe (magnétophorèse) permettait de répondre à la demande d’aimants pour la microélectronique. L’ambition du projet NIMRod est de développer une nouvelle génération d’aimants à partir de nanobâtonnets (NB) magnétiques en intégrant la notion de ressources durables et l’économie de métaux critiques, et de maîtriser les techniques d’élaboration d’assemblages dirigés sous champ par des études in operando. Il se situe dans un fort contexte applicatif avec un brevet déposé par l’équipe du coordinateur. Le projet rassemble chimistes, physiciens et ingénieurs spécialistes de la croissance et l’assemblage de nanoparticules, de microfluidique et de diffusion des rayons X, organisés autour de trois tâches complémentaires.
La synthèse de germes monodisperses et l’étude in situ de la nucléation et de la croissance de ces germes seront mises en œuvre. Des dispositifs microfluidiques permettant de couvrir les temps très courts (< ms) jusqu’au temps longs (> heure) seront développés pour suivre les étapes de pré-nucléation, nucléation, croissance et murissement, par spectroscopies d’absorption (UV-visible et rayons X) et diffusion des rayons X. La formation de germes métalliques multi-maclés de symétrie 5 (décaèdres, bipyramides) bien connus pour favoriser la croissance anisotrope des métaux nobles de structure cubique sera tout particulièrement visée. L’ensemble des données expérimentales obtenues en laboratoire et sur synchrotron sera utilisé pour bâtir des schémas réactionnels en considérant à la fois la théorie classique de nucléation et des mécanismes non conventionnels.
Des synthèses en phase liquide de NB originaux de métaux 3d (Fe, Co, Ni et alliages) par des méthodes d’ensemencement contrôlé seront développées en utilisant chimie organométallique ou procédé polyol. Les méthodes de croissance 1D à partir de germes de métaux 4d et 5d de symétrie 5 seront adaptées aux métaux 3d, avec plusieurs stratégies complémentaires pour lever les barrières éventuelles liées aux désaccords de maille entre le germe et le métal 3d. Des fils métalliques ultrafins de structures polytétraédriques seront aussi utilisés comme germes. Enfin, la croissance de bâtonnets de cobalt par le procédé polyol avec un contrôle précis de l’ensemencement permettra d’économiser 98% des métaux nobles par rapport au procédé actuel. Les interfaces seront caractérisées par microscopie électronique à la résolution atomique et des simulations micromagnétiques seront comparées aux courbes d’aimantation.
Les différentes étapes de la formation d’aimants par magnétophorèse ou dielectrophorèse de NB seront étudiées par diffusion des rayons X aux petits et grands angles (SAXS, WAXS) et microscopie en lumière polarisée, pour sonder les différentes échelles de temps mises en jeu. Les fonctions de distribution d’orientation (ODF) et les paramètres d’ordre seront déterminés au cours de l’alignement sous champ des NB, de leur migration vers les zones de forts gradients de champ et de leur densification lors du séchage. Un travail important consistera à mettre en place les outils numériques pour modéliser les diagrammes SAXS 2D d’assemblées 3D de NB. Les ODF établies à partir des mesures SAXS et WAXS, sensibles respectivement aux facteurs de forme et de structure et à l’orientation cristallographique, permettront de décrire complètement la microstructure des aimants finaux, de modéliser leurs propriétés magnétiques, d’optimiser la synthèse et l’assemblage et ainsi d’accroitre les performances finales des matériaux, évaluées par l’induction rayonnée.