Université d'Orléans

Thème I.1 : Stockage, conversion d’énergie et nouveaux matériaux

 

 

Responsable

Anne-Lise THOMANN (DR2)

Permanents   

Johannes BERNDT (Chercheur CDI)

Pascal BRAULT (DR1)

Christophe CACHONCINLLE (MCF)

Amael CAILLARD (CR1)

Eric MILLON (PRCE)

Nadjib SEMMAR (PR1)

Thomas LECAS (AI)

Agnès PETIT (IE2)

Post-Doctorants   

Doctorants 

 

Objectifs

-         Etude des décharges cathodiques magnétron et de la physique du plasma

-         Optimisation de procédés plasma magnétron pour la synthèse de matériaux destinés à la production ou au stockage de l’énergie (batteries Li-ions, piles à combustible SOFC et PEMFC)

-         Etude de la synthèse par PLD de couches minces d'oxydes dopés par des éléments métalliques ou de terres rares pour l'électronique transparente et la conversion de photons

-         Etude des mécanismes de la pulvérisation plasma ou d’ablation laser en mode réactif, de cibles multi-élémentaires (mosaïques, poudres compactées, céramiques) ou en co-pulvérisation, transport des espèces et dépôt sur substrats modèles ou à géométrie complexe

-         Etude de la croissance de films minces complexes (alliages multi-élémentaires et oxydes) ou d’agrégats métalliques, contrôle de la composition, de la structure et de la morphologie

-         Etude de l’implantation plasma d’ions légers dans les matériaux à bas flux et basse énergie

-         Etude des caractéristiques des matériaux selon les conditions de modification : caractérisation de la phase gazeuse, mesure des transferts d’énergie, caractérisation des matériaux, simulations

 

 

Méthodes et Techniques

-         Bâtis de dépôt PVD (pulvérisation magnétron et ablation laser) pour revêtir des substrats de 1cm2 à 15*15 cm2. Substrats plans ou pièces à géométrie complexes mises en rotation. Dépôt à température ambiante et de -150°C à 900°C.

-         Lasers impulsionnel (Excimère et Nd :YAG) nanoseconde et picoseconde, PLD sous atmosphère (O2) et pression contrôlée de 10-7 à 10 mbar

-         Source plasma ICP avec chambre de diffusion pour l’implantation de He+, H+ etc.

-         Pulvérisation magnétron DC, DC pulsé, HiPIMS, « hot magnétron », source d’agrégats en phase gazeuse

-         Caractérisation du plasma : spectroscopie optique, diagnostic des transferts d’énergie, sonde de Langmuir, analyseur d’énergie

-         Caractérisation des matériaux : MEB (avec EDS), mesure de l’angle de contact, mesures électriques, tests d’adhésion, tests électrochimiques. Accès à XRD, RBS, NRA, TEM, AFM

 

Principaux Résultats

-         Un résultat majeur obtenu grâce au diagnostic de transfert d’énergie, est la mise en évidence du rayonnement IR émis par les cibles magnétron dont la température de surface s’élève lors du phénomène de pulvérisation. Cette émission peut passer complètement inaperçue par les moyens conventionnels de caractérisation de plasma, et jouer cependant un rôle sur la croissance du film.

 

Densité de flux mesurée au dessus d’une cible de Ti pulvérisée en DC pulsé, à 400W et 0.66Pa d’argon. La configuration du champ magnétique est équilibrée. 15% de l’énergie totale est transférée sous forme de rayonnement IR au substrat.

 

-         Le contrôle de la stoechiometrie en oxygène et du taux de dopage en éléments métalliques (Nb) dans les films d'oxydes de titane obtenus par PLD sur substrat monocristallin permet d'obtenir des homojonctions p-n tout oxyde transparentes.

 

Homojonction p-n transparente basée sur des films d'oxyde de titane déposés par PLD sur substrat de saphir : (a) structure de la jonction en coupe, (b) vue desssus (la jonction transparente est posée sur un papier blanc avec l'inscription “GREMI”).

 

 

-         L’emploi de la pulvérisation plasma magnétron à basse pression et à haute pression (dispositif appelé source d’agrégats) a permis la synthèse de catalyseurs performants vis-à-vis de la réduction de l’oxygène en pile à combustible PEMFC

 

 

Images obtenues par microscopie électronique d’agrégats PtPd et Pt synthétisés respectivement avec la source d’agrégats sur membrane carbonée (à gauche) et par pulvérisation magnétron sur poudre carbonée (à droite)

 

 

Projets - Collaborations académiques et industrielles

-SmartCat, projet européen, JTI FCH-JU piles à combustible pour les applications automobiles

-RevPack II projet Région Centre et FEDER : revêtements pour la cosmétique, labellisé par le pôle de compétitivité Cosmetic Valley

-PiMat, projet Région Centre : implantation d’ions légers dans les matériaux

-Programme d’échanges bilatéraux Hubert Curien avec la Belgique (Tournesol)

-Projet ARPPCM Région Centre sur les panneaux photovoltaïques en couches minces

-Projet BLADES Région Centre sur les batteries au Li

- Dust4Pem, projet exploratoire CNRS sur la synthèse de catalyseurs en phase gazeuse

Collaborations académiques : CEMHTI (Orléans), CRMD (Orléans), CEA (Tours), LEMA (Tours), PCMB (Tours), LMP (Tours), INSP (Paris VI), LIM (ENSAM Paris), IJL (Nancy-Metz), DRAFT (Gand), ChIPS (Mons), N.I.L.P.R.P. (Bucarest), DTU (Danemark) ; collaborations industrielles : STMicroelectronics (Tours), S'Tile (Poitiers), ECP (Chartres), Electroprécision (Chartres), SOLEMS (Palaiseau), Mxpolymer (Hollande), SINTEF (Norvège)

 

Publications des personnels participant au thème