Du fait de leur propriété émissive, les fibres actives dopées par des éléments "terre rare" sont aujourd'hui de plus en plus utilisées pour la réalisation de lasers à fibre. Cependant, les pertes de performance induites par leur photo- ou radio-noircissement incitent à réaliser des études approfondies pour comprendre le rôle des défauts ponctuels associés et leur origine.

Les processus de photo-noircissement sous éclairement intense sont similaires à ceux que l'on trouve lors du radio-noircissement en milieu hostile (spatial ou milieu radioactif). Les chercheurs du LSI, par des expériences in situ sur le tout nouveau dispositif de photoluminescence en ligne sur l'accélérateur d'électrons SIRIUS, ont pu mettre en évidence l’émission d’ytterbium divalent Yb2+ dans des préformes de fibres dopées Yb, noircies sous le faisceau d’électrons. De façon plus approfondie, ils montrent que le mécanisme de radio-noircissement est basé sur l’association de la forme réduite Yb2+ de la terre rare, aux défauts de type AlOHC ((Aluminium Oxygen Hole Center). Ces résultats montrent que la terre rare sous sa forme divalente joue effectivement un rôle dans le noircissement des fibres, en favorisant et stabilisant les défauts liés à la présence de l'aluminium. Cette compréhension du mécanisme de noircissement des fibres actives donne ainsi les bonnes pistes pour améliorer leurs performances.

 

Comprendre comment les électrons émis lors de la décharge d’une batterie interagissent avec l’électrolyte est indispensable pour mieux appréhender les causes de leur vieillissement. Les chercheurs du Laboratoire de chimie-physique (CNRS/Université Paris-Sud) et du laboratoire Nanosciences et innovation pour les matériaux la biomédecine et l'énergie (CNRS/CEA) ont utilisé la radiolyse impulsionnelle picoseconde pour étudier la formation des électrons solvatés et leur interaction avec les carbonates de l’électrolyte. Ils ont mis en évidence un comportement particulier dans le cas du carbonate de propylène cyclique par rapport aux espèces non cycliques (linéaires). Ces travaux font l’objet d’une publication dans le Journal of Physical Chemistry Letters.

 

Comprendre l’interaction de l’eau avec la matière est une question scientifique qui intéresse des domaines aussi divers que les sciences de la terre, la médecine, la préservation du patrimoine, mais aussi l’industrie. Dans le cadre des études sur le stockage des déchets nucléaires vitrifiés en couches géologiques profondes, il est connu depuis une vingtaine d’année que l’interaction de l’eau avec le verre de confinement conduit à la formation d'un gel de corrosion en surface et d’une couche d'interface de très faible épaisseur enrichie en silice. Cette couche est dite passivante, car elle diminue de plusieurs ordre de grandeur la vitesse de dissolution des espèces solubles. Elle pourrait alors devenir une couche protectrice du colis pour des durées géologiques.

L’élucidation des mécanismes à l’échelle atomique qui expliquent cette passivation reste aujourd’hui une question scientifique ouverte. Après une préparation spécifique marquée isotopiquement, des équipes de la DEN et de la DSM ont pu obtenir une couche passivante particulièrement épaisse (> 1µm). Il a alors pu être montré qu’elle ne résultait pas d’une reprécipitation de la silice en solution et qu'elle conduit à la formation de pores sub-nanométrique qui confinent et piègent l’eau, ceci limitant considérablement son pouvoir d’hydrolyse. Favoriser la formation et la stabilité de telles couches offre donc de nouvelles perspectives pour augmenter la durabilité des verres de stockage.

 

Le stockage de l'énergie électrique est un des grands challenges de la transition énergétique en cours. Les batteries d'accumulateurs de puissance de type lithium-ion, avec en particulier leurs applications dans le transport, sont l'objet de nombreux efforts de recherche pour en améliorer les performances. Le projet "PILPOIL" [1] a pour objectif d'améliorer ce type d'accumulateur Li-ion en exploitant un effet de confinement nanométrique unidimensionnel (1D) de l'électrolyte (liquide ionique - LI). Cet effet pourrait théoriquement permettre de changer l'ordre de grandeur de la puissance spécifique délivrée par ces dispositifs électrochimiques de stockage d’énergie.

La réduction de dimensionnalité est assurée par le confinement de l’électrolyte au sein d'une membrane de nanotubes de carbone (NTCs) alignés, qui présente à la fois une porosité nanométrique et une anisotropie macroscopique de par l'orientation moyenne des NTCs. L’idée physique qui sous-tend le projet est d'obtenir un gain de conductivité ionique par la conjonction de deux effets :

  1. le confinement extrême des molécules du LI dans les NTC de diamètre 1.5 à 5 nm, qui doit induire des effets de frustration dans l'auto-organisation spontanée observée en volume.
  2. la très faible interaction entre les molécules de l’électrolyte et la paroi intérieure "lisse" des NTC devrait favoriser un phénomène de glissement (i.e. un très faible coefficient de friction à l’interface NTC/électrolyte).

Les premiers résultats obtenus en utilisant des NTC de 4 nm de diamètre, montrent un gain de conductivité d’un facteur 3. Une diminution du diamètre de nanotubes devrait exalter cet effet. Un brevet a été déposé [2] .

 

Une nouvelle famille de matériaux supraconducteurs à haute température a été découverte en 2009 avec de nouveaux composés dénommés pnictures [1], à base de fer. L'étude de leur structure et de leurs propriétés, bien distinctes de celle des cuprates, autre grande famille de supraconducteurs, apporte des informations indispensables pour construire une réflexion approfondie sur les origines de la supraconductivité à haute température.

L’effet de désordre cristallin induit par l’irradiation aux électrons de haute énergie sur les propriétés de l’état supraconducteur des pnictures Fe2(As1-xPx)2 s’est révélé être un élément clé pouvant contribuer à identifier le mécanisme de couplage des électrons en paires de Cooper, à l'origine de leur supraconductivité. Les expériences menées par une équipe internationale sur la plateforme SIRIUS du LSI, montrent en effet une évolution inédite de la structure du gap supraconducteur : la suppression de "nœuds" du gap semi-conducteur, suivie de l’apparition d'états localisés [2]. Cette observation est un argument fort en faveur d'un couplage impliquant les fluctuations magnétiques de spin, et de la nature multibande de la supraconductivité des pnictures à base de fer.

La maitrise du vieillissement des cellules photovoltaïques à base de semi-conducteurs est un enjeu important du fait de leur coût. Pour les missions spatiales lointaines, l'enjeu est encore plus important puisque c'est de la fiabilité et de la robustesse des performances de cette source d'énergie embarquée que dépend le succès de la mission.

Les chercheurs de l'IRAMIS-LSI ont ainsi étudiés les performances de cellules photovoltaïque triple jonction GaInP/GaIn/Ge destinées à alimenter la sonde de la mission JUICE/Laplace (JUpiter ICy moon Explorer) qui sera lancée en 2022, pour être placée en orbite autour de Ganymède, satellite de Jupiter. Les performances des cellules et leur vieillissement sous irradiation, dans les conditions similaires à celles qui seront rencontrées au cours de la mission, ont plus particulièrement été étudiés et modélisés.

 

Maxime Rioult, Hélène Magnan, Dana Stanescu et Antoine Barbier - Laboratoire des Interfaces et Surfaces d'Oxydes (LISO) - SPEC

Voici presque 4 ans, le groupe Oxydes (LISO) du SPEC s’est lancé le défi d’utiliser son expertise en croissance de films minces d’oxydes afin d’élaborer des matériaux modèles capables de convertir l’énergie solaire en hydrogène. L’enjeu est de taille dans le contexte de crise énergétique que nous traversons car l’hydrogène a l’avantage d’être un puissant carburant, à la fois stockable, propre et recyclable à l’infini. Ici, la clé est d’optimiser les propriétés d’un semi-conducteur qui joue le rôle d’anode dans un processus de production d’hydrogène par photo-électrolyse de l’eau. L’utilisation de techniques de caractérisation parmi les plus avancées, notamment en utilisant le rayonnement synchrotron, permet d’étudier des échantillons modèles, monocristallins, avec une profondeur d’analyse propre à la physique du solide. Il est alors possible de comprendre et de déterminer quels sont les paramètres pertinents pour améliorer la photo-électrolyse de l’eau. Nous avons pu montrer qu’un dopage modeste de l’hématite avec du Ti, en substitution dans la maille, permettait un gain d’un facteur 100 du photo-courant et une augmentation de la longueur de diffusion des porteurs de charge.

Une collaboration de chercheurs issus des laboratoires CRISMAT à Caen, LLB et SOLEIL sur le plateau de Saclay et de l'Institut Gerhardt de Montpellier, vient de mettre en évidence des propriétés inédites d’absorption-restitution de l’oxygène dans une ferrite multiferroïque, ouvrant ainsi la voie à des nouvelles applications multifonctionnelles.

 

Dans la conception du cœur d'un réacteur nucléaire, les matériaux de structure doivent être sélectionnés en ayant une bonne maitrise de leurs propriétés mécaniques et de leur tenue sous irradiation. La dispersion nanostructurée d'oxyde (aciers ODS : Oxide Dispersion Strengthening) est une méthode pour durcir les aciers. Ces matériaux sont envisagés comme matériaux de structure pour les réacteurs nucléaires du futur (génération IV, notamment pour les gaines de combustible dans les réacteurs à neutrons rapides RNR) ou les premières parois des réacteurs à fusion.

Pour valider ces orientations, une parfaite maitrise de l'élaboration de ces aciers ODS est nécessaire. La présente étude montre que les teneurs initiales en Ti, Y et O sont cruciales pour la cinétique de coalescence des particules d'oxyde et le comportement en température du matériau, qui déterminent ses propriétés mécaniques.

 

T. Taurines et B. Boizot

Le confinement de déchets nucléaires à haute activité demande un stockage dans des conditions sûres et pérennes. Dans ce but, des structures vitrocéramiques, à la fois vitreuses et cristallines, ont été proposées. De telles structures peuvent en effet présenter de bonnes performances de stockage, associées au piégeage des éléments radioactifs dans la phase cristalline.

Le confinement dans ces verres nucléaires alumino-borosilicatés de déchets riches en molybdène (filière graphite-gaz) pose cependant le problème de leur dévitrification pouvant nuire aux propriétés de confinement. Ainsi, à forte concentration en molybdène ou lorsque le taux de charge est élevé, des phases molybdates cristallisent, et le contrôle de la nature de ces précipités, par le choix des compositions et des processus de synthèse, est primordial pour bien maîtriser les propriétés de confinement de la matrice.

L'étude menée par une équipe du LSI, sur des matériaux vitrocristallins modèles, montre que que la présence d’une phase Powellite CaMoO4 ne modifie pas les évolutions structurales sous excitation électronique de la phase vitreuse.

 

Collaboration CEA-DSV/LCBM - CEA-LITEN - CEA-LETI et CEA-IRAMIS
Dans le cadre du développement de la filière énergétique hydrogène, la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau nécessite des catalyseurs efficaces. En remplacement du platine, rare et cher, des oxydes de cobalt ont été proposés. Par un traitement électrochimique simple, des catalyseurs à base de cobalt bon marché, efficaces et réversibles (capable de catalyser à la fois les réactions d'oxydation à l'anode et de réduction à la cathode) ont été obtenus.

 

 

 

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