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Labex MATISSE
MATériaux, InterfaceS, Surfaces, Environnement

Caractérisation multi-fonctions, multi-échelles, in-Operando de Couches par Ellipsometrie Spectroscopique Infrarouge

Fiche technique

  • AAP : 2018
  • Intitulé : Caractérisation multi-fonctions, multi-échelles, in-Operando de Couches par Ellipsometrie Spectroscopique Infrarouge
  • Thème :
    • Matériaux multifonctionnels et environnement
    • Interface,transport et réactivité
    • Dimensionnalité et confinement
  • Financement :
    • MATISSE : 38%
    • DIM Respore : 48%
    • LCMCP : 14%
  • Responsable scientifique du projet : Marco Faustini
    Laboratoire : Chimie de la Matière Condensée de Paris
    Équipe : Matériaux Hybrides et Nanomatériaux
  • Autres équipes associées
    • Hubert Perrot
      Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques (LISE)
    • Philippe Walter
      Laboratoire d’Archéologie Moleculaire et Structurale (LAMS)
    • Christian Serre
      Institut des Matériaux Poreux de Paris (IMAP)
  • Localisation : Laboratoire Chimie de la Matière Condensée de Paris
    Campus Pierre et Marie Curie - Sorbonne Université

Présentation du projet scientifique

L'objectif principal de ce projet est de mettre en place une plateforme polyvalente basée sur l'ellipsométrie infrarouge pour suivre, simultanément, l'évolution des propriétés chimiques, structurelles et optiques des couches fonctionnelles, dans des conditions in operando.

Originalité et caractère innovant

Les matériaux, sous forme de couches, sont utilisés dans presque tous les domaines scientifiques et technologiques : optique, catalyse, énergie, détection, santé, patrimoine, etc. La caractérisation des films dans des conditions opérationnelles est un exercice difficile. En effet, la mesure doit être non destructive, résolue dans le temps et compatible avec les enceintes environnementales (de l'ambiant à la haute pression, à température contrôlée, en milieu liquide, sous flux gazeux ...). Une image complète du système nécessite souvent une combinaison de multiples techniques capables de suivre simultanément l'évolution de plusieurs propriétés/paramètres en présence de stimuli externes. De plus, le choix de la technique dépend fortement de la morphologie et de l'échelle caractéristique du système (atomique, nano- ou/et micrométrique).

Bien qu'aucune technique universelle n'existe, certaines méthodes présentent un bon potentiel en termes de versatilité dans des conditions environnementales ; par exemple, l'ellipsométrie spectroscopique UV-visible « classique » est probablement la méthode de caractérisation la plus puissante pour les films optiques.

Brièvement, la technique consiste à :

  1. mesurer la dépolarisation de la lumière réfléchie par une surface et,
  2. appliquer des modèles optiques pour déterminer la dispersion d'indice de réfraction complexe n(λ) et l'épaisseur h des films.

Comme la mesure est rapide, non destructive, elle permet de déterminer n(λ) et h dans une atmosphère contrôlée, à différentes températures, sous irradiation, et dans des milieux biologiques liquides (et leurs combinaisons).

Cependant, deux limitations majeures demeurent : la gamme spectrale de l'ellipsométrie UV-visible (200-1000 nm) limite son utilisation aux films « idéaux » non diffusants ; et d'autre part, si l'évolution structurelle peut être facilement obtenue, la nature chimique des systèmes reste totalement inconnue.

Ce projet d'équipement surmonte la plupart de ces limitations en développant une nouvelle plate-forme Ellipsométrique Infrarouge (E-IR) équipée de chambres environnementales (avec atmosphère contrôlée, flux de gaz, température, liquide), jamais développée jusqu'à présent. Couvrant une gamme spectrale très large de 1,7 à 30 microns, cet équipement permet de caractériser des films multi-échelles (ou films en poudre) de porosités/morphologies/épaisseurs variant de la taille du nanomètre à des dizaines de micromètres.

Avec une seule mesure, plusieurs fonctions/propriétés peuvent être suivies dans les conditions réelles de fonctionnement :

  1. propriétés structurelles 
  2. optiques et 
  3. la composition chimique par absorption IR à haute résolution.

La polyvalence de la plateforme est exploitée pour obtenir des informations critiques dans plusieurs cas de recherche fondamentale et appliquée couvrants plusieurs thèmes du Labex Matisse:

  1. Caractérisation optiques et structurelles des couches « diffusantes » ou photoniques : un des premiers aspects intéressant de l’E-IR est que cette technique travaille avec une gamme de longueurs d’ondes très supérieures à celle des appareils d’ellipsométrie dont nous disposons au LCMCP. L’E-IR va être utiliser pour caractériser les propriétés optiques des des couches « imparfaites » (rugueuses, comportant des macropores, composites etc.), beaucoup plus épaisses (50 μm et plus), des systèmes photoniques/plasmoniques (ANR JCJC M. Faustini) ou des métamatériaux (INSP, B. Gallas, C. Schwob). En particulier, les métasurfaces réalisées par lithographie à l'INSP sont constituées de réseaux de résonateurs photoniques présentant des dimensions caractéristiques très petites par rapport à la longueur d'onde. Les mesures dans l’IR moyen voire lointain permettent (i) de rendre MATISSE 2018 - Equipements 5 facilement les résonateurs petits par rapport à la longueur d'onde, (ii) d'avoir des propriétés des matériaux plus idéales (diélectriques haut indices et métaux sans pertes). Dans le cadre de la thématique sur les métasurfaces développé l’INSP, des mesures polarimétriques dans l'infrarouge (pas disponible sur le campus Jussieu) permettent de montrer des effets de lumière lente6 ou de développer de nouvelles techniques d'homogénéisation.7 L’E-IR couplée à une chambre à atmosphère et température contrôlées, ainsi qu’un travail théorique nous permette de développer une porosimétrie ellipsométrique IR adapté pour des systèmes à des tailles de pores allant de 60 nm au micron (opale inverses par exemple), qui sont souvent observées expérimentalement mais sont extrêmement difficiles à quantifier précisément pour les films. Une telle technique de porosimétrie expérimentale n’existe pas à l’heure actuelle.
  2. Détection polluants : l'E-IR permet d'aborder le problème critique de la sélectivité des capteurs ; nous avons quantifier la co-adsorption de solvant dans les nanopores (dans des conditions «réelles» atmosphériques) avec une chambre permettant le flux de mélanges de vapeur contrôlés (eau et/ou composés organiques). Nous nous concentrerons sur deux systèmes poreux prometteurs : les MOF (collaboration avec C. Serre, IMAP) et les films mésoporeux sol-gel et hybride (M. Faustini, LCMCP). La composition / quantité de l'espèce co-adsorbée dans les pores et l'évolution de la structure seront surveillées en fonction des pressions de vapeur, du temps et de la température. L’approche sera validé par un couplage avec la microbalance à quartz en collaboration avec H. Perrot et O. Sel (LISE) comme démontré récemment pour l’ellipsométrie UV-vis.8 Adéquation/ Faisabilité: un thésard LCMCP/IMAP travail déjà sur ce thématique
  3. Patrimoine (collaboration avec L. De Viguerie et P. Walter, LAMS) :
    L’E-IR sera utilisée pour étudier l’évolution chimique et structurelle des gel « Gumtion » à base de résine mastic, d’huile et de plomb, utilisés dans la peinture à l’huile au 19e siècle et soumis à de nombreux problèmes de conservation.9 En s’approchant de leurs conditions réelles d’utilisation (film de peinture) nous souhaitons préciser la nature chimique de ces gels, l’évolution des propriétés optique et structurelle afin proposer des protocoles de conservation des couches picturales. Adéquation/ Faisabilité: une thèse LCMCP/et en cours sur ce thématique
  4. Réactivité en cellule liquide (applications en santé et corrosion) : Nous proposons d’utiliser l’E-IR pour suivre les évolutions chimiques et structurelles des couches en milieu liquide. Deux applications sont visées : (i) la corrosion des surface métalliques en présence des couches de protection et (ii) la dissolution des vecteurs thérapeutiques en milieu biologique. Ce projet sera l’occasion de développer une nouvelle cellule liquide adaptée à l’analyse infra-rouge et de coupler les données obtenues avec des mesures de microbalance à quartz (étude in situ de fonctionnalisation et de dissolution de vecteurs thérapeutiques, coll. H. Perrot, LISE) ou de spectroscopie d’impédance électrochimiques pour la corrosion (C. Boissiere, L. Nicole au LCMCP et M. Tran Trong Long au LISE). Adéquation/ Faisabilité: deux thèse est en cours au LCMCP sur cette thématique (dont un financement MATISSE).
  5. Energie : l'état physique de l'eau dans les couches catalytiques anodiques des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons, influe fortement sur la disponibilité des sites catalytiques. En effet, la condensation de l'eau peut conduire au blocage de la réaction catalytique. Nous étudierons par E-IR, l'état physique de l'eau (liquide ou vapeur) en fonction de la macroporosité de l'anode dans des conditions proches du travail à une température > 80 ° C, une humidité élevée et éventuellement l'application d'un courant. Ce travail devrait donner un aperçu précieux pour produire des matériaux plus efficaces avec une porosité optimisée (coll. C. Boissière, C. Sanchez LCMCP). En perspective, la méthodologie pourrait être davantage mise en oeuvre dans des systèmes multicouches (piles à combustible ou batteries en collaboration avec N. Krins et C. Laberty LCMCP)

22/01/19

Traductions :

    MATISSE en chiffres

    • 4 disciplines : Chimie, Physique, Sciences de la Terre, Patrimoine
    • 400 permanents

    Contact

    Direction

    Florence Babonneau

     

    Administration

    matisse @ upmc.fr

     

    Communication

    Emmanuel Sautjeau

    emmanuel.sautjeau @ sorbonne-universite.fr