Université Paris 13, CNRS UPR 3407, Directeur : Dominique VREL
 

Le LSPM regroupe 135 chercheurs seniors, professeurs associés, professeurs, ingénieurs, techniciens, doctorants et étudiants de troisième cycle. Le laboratoire appartient au CNRS, Institut INSIS, et est hébergé par l’Università Paris13. Les groupes du Laboratoire mènent des recherches dans les domaines du génie des procédés et du traitement des matériaux (nouveaux procédés d’élaboration et de transformation de matériaux fonctionnels, intégration de matériaux fonctionnels dans de nouveaux procédés, systèmes et dispositifs ayant des applications dans les domaines de l’énergie, l’électronique, l’environnement, la photonique,...), les matériaux structurels :

Le laboratoire est composé de 7 équipes.

• Développement de procédés plasma pour la croissance de diamant de très haute pureté / structure cristalline, le traitement de surface et la synthèse de matériaux ;
• Elaboration de nanoparticules fonctionnelles inorganiques et/ou hybrides par des procédés sol-gel, avec des applications dans le domaine de la photonique et de la catalyse ;
• Modélisation thermodynamique des procédés haute pression ;
• Etude de l’interaction plasma-surface pour les conditions plasmatiques de bord de tokamak (équipe non impliquée dans le SEAM Labex) ;
• Relations entre les caractéristiques microstructurales des matériaux et leurs propriétés physico-mécaniques ou leur comportement dans des conditions de charge.

1. Matériaux fonctionnels

Conception de réacteurs monocristallins diamant de très haute pureté pour la croissance / plasma. Quelques résultats majeurs récents peuvent être mis en évidence :

• Développement pour la première fois d’un modèle de croissance, validé expérimentalement, qui permet de prédire la morphologie du cristal, pour une épaisseur donnée, en fonction des conditions de croissance ;
• Stratégies de prétraitement et de croissance qui permettent d’éviter les fractures et les dislocations pendant la croissance du diamant, point clé pour la croissance de cristaux épais,
• Progrès dans la réduction des défauts tels que les luxations. C’est encore un goulot d’étranglement à surmonter pour le développement d’interrupteurs électroniques de puissance, la mobilité des trous pouvant atteindre 1820 cm2/V s obtenus sur un cristal de diamant à faible p dopé (1.6 1015 à. cm-3) (position internationale de premier niveau).
• Nouvelle conception du procédé plasma et mise à l’échelle du réacteur afin d’améliorer significativement le processus de croissance (uniformité et agrandissement de la surface de dépôt), confirmant la position de premier plan du groupe au niveau international tant pour le dépôt de diamants que pour les procédés plasma.
• Élaboration de nanoparticules d’oxyde métallique et application de nanoparticules d’oxyde métallique.
• Développement d’un procédé de chimie douce permettant le dopage in situ homogène de nanoparticules d’oxyde métallique de type p et de type n avec une distribution granulométrique très étroite.
• Dépôt de nanoparticules d’oxyde métallique dopées avec une meilleure absorption dans le visible.
• Une avancée scientifique majeure pour combler le fossé entre la dynamique de mélange qui caractérise le processus d’élaboration et la distribution granulométrique des nanoparticules obtenues. Cela a nécessité la réalisation d’une recherche multidisciplinaire.
• Démonstration de la potentialité des matériaux élaborés dans des domaines tels que la photonique, la plasma-catalyse et la photocatalyse.
• L’étude des propriétés électromagnétiques, magnétiques-élastiques, piézo-électriques, piézo-électriques, optiques s’étend sur une variété ouverte de composés, en vrac et en aspect (mono ou multicouche), qui se voient attribuer une nanostructure contrôlée. Des modèles d’excitations micro-magnétiques dans des structures nanométriques sont en cours de développement avec une attention particulière aux effets de réduction dimensionnelle. Pour les études optiques et acoustiques, la spectroscopie Brillouin fait partie des techniques dont le laboratoire possède l’expertise et la maîtrise, avec le développement de simulations numériques pour les spectres Brillouin.

2. Matériaux de structure

En associant les activités de mécaniciens, métallurgistes, chimistes et physiciens, on étudie toutes les étapes de la chaîne d’élaboration/transformation - caractérisation/identification - modélisation/simulation des matériaux. Cette diversité des champs disciplinaires permet d’obtenir des descriptions réalistes du comportement matériel global sous charges appliquées ou subies, à partir des mécanismes élémentaires responsables identifiés et de l’organisation spatiale des éléments constitutifs. Les activités concernent à la fois les matériaux structuraux et fonctionnels avec des études mécaniques dominantes pour les premiers (plasticité, endommagement et rupture) et des considérations physiques et chimiques dominantes pour les seconds (magnétisme, optique, conductivité, stabilité thermodynamique, activité,...) mais aussi des examens croisés, éventuellement couplés, des propriétés mécaniques et physicochimiques. Les études de propriétés mécaniques concernent principalement les matériaux métalliques (acier, alliages d’aluminium,...), les composites à base de métaux (sous forme de composés d’oxydes métalliques), les composés), les extensions aux matériaux à architectures particulières (phase poreuse fermée ou ouverte ou résultant d’assemblages multi-phases contrôlés - compactés ou déposés - par exemple en couches). L’élasticité, la plasticité (jusqu’à de grandes déformations), les dommages et les fractures, mais aussi la recristallisation et les transformations microstructurelles sont les propriétés principalement étudiées. Le formage de produits plats, la croissance et l’étude des monocristaux et multi-cristaux métalliques (Cu, Al, Fe, Zr), la mesure et l’estimation des contraintes internes dans des structures hétérogènes sont des compétences reconnues du laboratoire, comme plus récemment l’étude de nouveaux composés (comme le BCNx ultra durs) obtenus sous haute pression, ou de matériaux obtenus par synthèse chimique en poudre (métallique, oxyde, sel d’hybrides). L’essai de cisaillement est l’une des particularités du laboratoire. Les métaux à grains ultrafins et les composites à matrice métallique obtenus soit par compactage de poudre, soit par déformation plastique sévère sont également un axe d’expertise reconnu du laboratoire.
L’implication croissante du LSPM dans l’étude et la modélisation de matériaux finement structurés, à architectures complexes, vers la prise en compte d’effets spécifiques liés aux petites dimensions, a conduit à développer la nanocaractérisation en microscopie (électronique et atomique) et en diffractométrie. Particulièrement impliqué dans l’étude d’une charge sur les propriétés physiques des matériaux, le LSPM a varié ses moyens d’examen des matériaux chargés in situ de microscopie, diffraction, spectroscopie, etc,
Pour ce faire, elle conçoit les micro-machines d’essais de traction, de compression, de flexion et de charge de cisaillement. Certaines de ces machines peuvent être opérationnelles sur différents appareils, permettant des caractérisations multi-physiques. Des machines spéciales pour le cisaillement sous haute pression entre les cellules de l’enclume diamantée sont également des spécialités développées de manière prototypique.
 

3. Procédés et outils de caractérisation

Le LSPM dispose d’une large plate-forme de procédés d’élaboration permettant la fabrication d’une large gamme de matériaux allant des monocristaux aux nanocristaux : sol gel, nucléation induite par laser, CVD, plasma, ...... Afin d’effectuer des diagnostics de plasmas ou de processus de nucléation, LSPM dispose d’une plateforme Laser, en partie partagée avec LPL. Un laser UV à laser visible pour le diagnostic plasma ainsi qu’un spectromètre Labram complètent cette plateforme laser. Le LSPM dispose d’une plate-forme de caractérisation structurale comprenant des diffractomètres à rayons X, TEM, AFM, SEM. En outre, certains équipements spécifiques tels que la conductivité électronique et la mise en place d’une vue diamant. Il existe également des installations uniques qui permettent l’élaboration de matériaux en vrac nanostructurés tels que les matériaux ductiles (super-plastiques) en traitant les nanoparticules de cuivre sous haute pression et basse température, les méthodes de croissance cristalline Bridgman et de recuit sous contrainte et deux dispositifs de pressage isostatique à chaud, avec des essais mécaniques (2 dispositifs de cisaillement, essais standard en traction et compression, microindentor, acquisition d’images, dispositif d’analyse pour mesurer des champs cinématique),un dispositif à enroulement symétrique et un non symétrique. Les moyens et équipements dédiés aux études spécifiques sont les presses de diffusion Brillouin, les presses haute pression (à bande et multi-angles), les lasers d’interférométrie et de puissance, ATDATG et les équipements de synthèse chimique. Des moyens de calcul et d’analyse d’images sont également disponibles.