Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA)
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Responsable : Mathieu Pinault

Le LEDNA (Laboratoire Edifices Nanométriques) comprend 18 permanents et une douzaine de doctorants, post-doctorants et CDD.

Axée sur la recherche fondamentale en nanosciences, son expertise porte sur le développement, selon une approche bottom-up, de méthodes de synthèse et d’élaboration de nano-objets ou matériaux nanostructurés originaux. L'objectif est de répondre à des applications à fort impact sociétal dans le domaine de l’énergie, de l’environnement, de la santé et des matériaux composites fonctionnels.

 

 

Le LEDNA a pour principal objectif scientifique d'étudier les phénomènes physico-chimiques à mettre en œuvre pour concevoir des procédés de synthèse performants  (rendement, efficacité...) en phase gazeuse ou en phase liquide et  d'analyser  leurs propriétés physique, chimique et mécanique intrinsèques résultant de leur faible taille, ou à l'issue de leur  mis en forme dans des matériaux ou des dispositifs , en vue d'applications.

Ces recherches sont organisées autour de 5 thématiques :

Le LEDNA mène également des travaux transverses de fonctionnalisation de surface et de mise en forme des nano-objets. Il s’intéresse aux impacts sociétaux de ces nano-objets en étudiant leur toxicité, en collaboration avec des biologistes.

Pour mener ces études, le LEDNA réalise des développements instrumentaux :

  • lentilles aérodynamique pour générer des jets de nanoparticules pour la synthèse et l'analyse (au laboratoire et sur synchrotron)
  • de dispositifs de synthèse dédiés aux analyses in situ (au laboratoire et sur synchrotron)
  • de techniques d'analyse en ligne des procédés (spectrométrie de masse, LIBS...)

et dispose d'équipements de caractérisation performants adaptés à l'étude de nanoobjets : MEB-FEG, Spectroscopie Raman,  Spectroscopie de corrélation de photons... et de mesures des propriétés chimiques, physiques ou mécaniques : mesures électriques, électrochimiques...

Et se déplace sur les grands instruments (SOLEIL, ESRF...)  : dépôt de projets et collaborations sur temps de faisceau interne.

Une des spécificités de l’équipe LEDNA est l’équilibre entre études académiques et appliquées : pour les systèmes ayant atteint un niveau de maturité permettant de proposer une valorisation industrielle, le LEDNA se préoccupe, par des travaux de R&D conjoints, de transposer les procédés de synthèse et les dispositifs élaborés au laboratoire à l'échelle supérieure pré-industrielle (prototypes, TRL 2 à 5). Pour cela, le LEDNA s’appuie sur les partenariats existants (Sté Nawatechnologies, Sté Ethera, RTE-France...) ou en construction, et collabore avec de nombreuses équipes de recherche nationales (ICMO et LPS d'Orsay, CEA-LITEN, ICGM Montpellier, LNIO UTT-Troyes...) ou internationales (NTU Singapour, Karlsruhe-KIT, Université de Birmingham...).


 
#946 - Màj : 15/09/2022
Thèmes de recherche

Synthèse et analyse en phase gazeuse de nano-objets / Synthesis analysis in gas phase of nano-objects

La plupart des synthèses chimiques sont réalisées en milieu liquide. Pour l'élaboration de nanoparticules et les nanomatériaux, de multiples méthodes de synthèse en phase gaz se révèlent particulièremetn utiles et performantes .

Synthèse et analyse en phase gazeuse  de nano-objets / Synthesis analysis in gas phase of nano-objects
Nano-chimie, nano-objets / Nano-chemistry, nano-objects

Nano-chimie, nano-objets / Nano-chemistry, nano-objects

Le développement des nanotechnologies s'appuie de plus en plus sur la logique d'assemblage spontané (auto-assemblage) ou non, des briques élémentaires que sont les nanoparticules.

Matériaux nanocomposites nanostructurés (cristallisés et matière molle.) : de leur élaboration, à leurs propriétés.

L'incorporation de nano-objets ou la nanostructuration (à une échelle < 100 nm) au sein d'un matériau (solide cristallisé ou matière molle) permettent d'élaborer des "nanomatériaux" aux propriétés physico-chimiques nouvelles (réactivité chimique, propriétés mécanique ou électrique, biologique...).

Matériaux nanocomposites nanostructurés (cristallisés et matière molle.) : de leur élaboration, à leurs propriétés.
Matériaux nanostructurés pour l’énergie / Nanostructured materials for energy

Matériaux nanostructurés pour l’énergie / Nanostructured materials for energy

L’IRAMIS développe des matériaux nanostructurés pour les dispositifs photovoltaïques (PV) organique ou hybride : nanoparticules de silicium dopées ou non incluses dans différentes matrices, molécules spécifiques aux couches d’interface de cellules PV organiques, nanotubes de carbone fonctionnalisés par des chromophores, nanoparticules d’oxydes TiO2 dopées ou non en azote pour les cellules solaires à colorant cellules PV à base de Perovskite.

Capteurs chimiques et biochimiques, diagnostic médical / Chemical and biochemical sensors, medical diagnosis

De nombreuses méthodes sont développées par les équipes de l'IRAMIS pour développer des capteurs chimiques sensibles, sélectifs  et efficaces. Pour ceci les nanotechnologies sont largement mises à contributions, avec l'utilisation de matériaux nanoporeux ou encore  d'objets fonctionnalisés. + microfluidique nano-objets  (effets plasmoniques, magnétiques, ...

Capteurs chimiques et biochimiques, diagnostic médical / Chemical and biochemical sensors, medical diagnosis
Chimie environnementale et dépollution / Environmental chemistry and depollution

Chimie environnementale et dépollution / Environmental chemistry and depollution

Les nanotechnologies offrent de nombreuses méthodes innovantes pour le piégeage de nombreux éléments polluants, chimiques, biologiques ou encore des métaux lourds.  Des méthodes de dépollution à l'aide de filtres à base de matériaux nanoporeux ou de fibres de carbone fonctionnalisées sont ainsi développées au LICSEN.

Nanostructures et biomolécules : biomédecine et nanotoxicité / Nanostructures and biomolecules: biomedicine and nanotoxicity

Nanostructures et biomolécules : biomédecine et nanotoxicité / Nanostructures and biomolecules: biomedicine and nanotoxicity

Du fait de leur taille, les nanoparticules peuvent interagir avec les éléments du vivant, de la cellule à la molécule biologique. Ceci peut être mis à profit en médecine pour cibler des traitements, mais peut aussi présenter des effets indésirables, lors d'une forte exposition.

Domaines Techniques
Spectrométrie de masse
La spectrométrie de masse est une technique instrumentale d’analyse reposant sur la séparation, l’identification et la quantification des éléments constitutifs d’un échantillon en fonction de leur masse. Ainsi les atomes, molécules ou aggrégats sont extraits sous forme d'ions, puis triés par un système dispersif : secteur de champ électrique ou magnétique, filtre quadripolaire ou temps de vol.

Analyse chimique en ligne au LEDNA

Si les surfaces possèdent intrinsèquement des propriétés intéressantes (propriétés optiques ou magnétiques, interface électronique, catalyse, fonction biologique, ...), des fonctions spécifiques peuvent être ajoutées par nanostructuration, ou en déposant un revêtement, ou encore par l'adsorption ou le greffage de molécules aux propriétés spécifiques.

Dépôt de films minces à partir de la voie liquide

Dépôt en phase vapeur (PVD) couplé à un jet de nanoparticules, pour la synthèse de revêtements nanocomposites

Imprégnation et polissage

Mesures électrochimiques et électriques

Fonctionnalisation de surface / surface functionnalisation
Rayons X
Les rayons X, rayonnement électromagnétique au delà de l'ultra-violet lointain, couvrent une gamme de longueur d'onde autour du dixième de nanomètre. Cette distance est de l'ordre de la distance entre atomes dans la matière condensée. Ainsi les rayons X peuvent interagir avec ces atomes (diffraction) ou les électrons (diffusion).

Diffraction des rayons X : "D2 Phaser Brucker" au LEDNA

Plusieurs types de microscopies électroniques sont disponibles à l'IRAMIS : - Microscopie à transmission (TEM : Transmission Electron Microscope), qui permet d'atteindre les plus hautes résolutions par diffusion/difffraction d'un faisceau d'électrons à travers un échantillon ultra-mince - Microscopie MEB et MEB-FEG (SPAM et SIS2M), ou microscopie à balayage, pour laquelle un faisceau d'électrons balaye la surface  de l'échantillon permettant d'obtenir une image de sa surface.

Microscopies électroniques au LEDNA

Microscopies électroniques TEM, MEB et LEEM/PEEM
Voir aussi
Faits marquants scientifiques
29 septembre 2022
Face au défi mondial de la transition énergétique et de l’indépendance énergétique, d'intenses recherches académiques et industrielles sont poursuivies sur différents dispositifs de stockage d'énergie, dont les batteries et les super-condensateurs, pour atteindre une production d'électricité décarbonée.
08 juin 2022
Du fait de leurs propriétés optiques dans le domaine visible, les nanoparticules d’or (Au-NPs) ont de nombreuses applications dans multiples domaines et plusieurs entreprises produisent et commercialisent aujourd'hui des Au-NPs, en particulier aux USA et en Asie.
07 janvier 2019
Une large collaboration de chercheurs a mis au point une nouvelle méthode permettant d’améliorer la capacité de stockage et de réduire le coût de production des batteries lithium-ion. La technologie proposée est basée sur l’irradiation des matériaux, de façon similaire à ce qui se fait par exemple dans les industries de traitement des aliments, des médicaments et des eaux usées.
08 octobre 2018
Les nanomatériaux manufacturés sont largement utilisés pour de nombreuses applications. Certains d’entre eux peuvent être considérés comme dangereux pour la santé car ils pourraient provoquer des effets inflammatoires, respiratoires, cardiovasculaires ou neurologiques.
10 juin 2017
La demande de dispositifs de stockage d'électricité performants pour l’électronique nomade ou l’automobile est en croissance rapide et nécessite une amélioration des performances des batteries (capacité, durée de vie, sécurité).
18 mai 2016
Le soleil apparait à ce jour comme la source d’énergie à la fois inépuisable et gratuite qu'il faut cependant réussir à capter efficacement. Les différentes générations de cellules photovoltaïques ont permis une amélioration progressive des coûts et/ou des rendements [1].
03 février 2016
La recherche de biomarqueurs volatils en vue d’un diagnostic non-invasif de pathologies telles que le cancer ou de maladies infectieuses comme la tuberculose, est un enjeu médical majeur.
23 septembre 2014
Une équipe de recherche du CEA Iramis, du Synchrotron SOLEIL, de l’Institut Lavoisier de Versailles (UVSQ / CNRS) et de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université Rennes 1) a mis au point une méthode de "lentille aérodynamique" qui permet d’observer des nanoparticules libres, sans interférences avec un substrat. Il est ainsi possible de caractériser spécifiquement la surface des nanoparticules.
01 juillet 2014
Après avoir mis au point une méthode de marquage isotopique qui rend possible une détection extrêmement sensible des nanotubes de carbone au sein d’organismes vivants, des chercheurs du CEA et du CNRS ont étudié le devenir de ces nanotubes sur une période d’un an chez l’animal.
02 juin 2013
L'utilisation de silicium à l'anode des accumulateurs Li-ion permet de fortement augmenter leur capacité. Cependant ce matériau se révèle fragile et les accumulateurs résistent mal aux cycles charge-décharge répétés. D'où l'idée d'utiliser du silicium sous forme de particules nanométriques, encapsulées dans une coquille de carbone.
06 mars 2012
Le contrôle de l’interaction lumière-matière à l’échelle nanométrique nécessite le développement de nouvelles instrumentations (microscopies à sonde locale) et de nouveaux matériaux (plasmonique hybride).
24 septembre 2011
Contact CEA : Pascal Boulanger
Une dizaine d'année après leurs premières synthèses en laboratoire, les tapis de nanotubes de carbone alignés sont envisagés dans de nombreux domaines d’applications (membranes de filtration, composants électroniques passifs et actifs, matériaux composites,…) combinant propriétés individuelles des nanotubes et nano-structuration spécifique.
13 janvier 2010
Des équipes de l'iBiTec-S, en collaboration avec une équipe de l'IRAMIS, ont mis au point une méthode de marquage au carbone 14 de nanotubes de carbone permettant de suivre et d'étudier leur devenir in vivo.  
Publications HAL

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Thèses
4 sujets /NIMBE/LEDNA

Dernière mise à jour :


 

Hybrides nanodiamants/TiO2 pour la production d'hydrogène vert par photocatalyse

SL-DRF-23-0679

Domaine de recherche : Matière ultra-divisée, physico-chimie des matériaux
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie (NIMBE)

Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA)

Saclay

Contact :

Hugues GIRARD

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2023

Contact :

Hugues GIRARD
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEDNA

0169084760

Directeur de thèse :

Hugues GIRARD
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEDNA

0169084760

Page perso : https://iramis.cea.fr/nimbe/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=hgirard

Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/ledna/

Parmi les carburants solaires, le dihydrogène est particulièrement prometteur grâce à son pouvoir énergétique élevé (142 kJ/mol). Néanmoins, sa production par une filière décarbonnée reste un sujet d’étude, ainsi que les procédés de stockage et de transport associés.

Le sujet de thèse proposé vise à développer la synthèse d' hybrides ND/TiO2 pour la production de dihydrogène par dissociation photocatalytique de l’eau,, en suivant notamment deux stratégies : (i) par assemblage des nanoparticules en voie aqueuse, notamment via des phénomènes électrostatiques ou (ii) en incorporant des nanodiamants durant la synthèse de nanostructures de TiO2. Des traitements de recuit en post-synthèse seront aussi étudiés, afin d’optimiser l’interface ND/TiO2. Dans ce travail, différents types de nanodiamants seront considérés, différents soit par leur source (issus de détonation ou de broyage), leur forme (sphériques ou facettés), leur diamètre (5-100 nm) ou leur chimie de surface. De même, pour le TiO2, différentes structures (rutile ou anatase), qualités cristallines ou morphologies (nanoparticules ou nanotubes) seront étudiées, en utilisant des synthèses par voie hydrothermale et sol-gel. L’effet de pré-traitements sur TiO2 sera aussi abordé. Les matériaux hybrides ainsi formés seront caractérisés par un ensemble de spectroscopies (XPS, FIT, Raman) et microscopies (SEM, HRTEM, CryoTEM) disponibles dans les deux laboratoires. Les performances de ces matériaux pour la production de dihydrogène par dissociation de l’eau par photocatalyse sous irradiation visible et solaire seront finalement évaluées à l’ICPEES. Les cinétiques de production d’hydrogène seront déterminées ainsi que les rendements quantiques en fonction de la concentration de photocatalyseurs, de la nature et de la concentration de l’agent sacrificiel et de l’irradiance.

Mise en forme de nanotubes de carbone alignés comme nouveaux microporeux pour couche de diffusion de gaz des piles à combustible

SL-DRF-23-0046

Domaine de recherche : Matière ultra-divisée, physico-chimie des matériaux
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie (NIMBE)

Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA)

Saclay

Contact :

Mathieu PINAULT

Arnaud MORIN

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-12-2022

Contact :

Mathieu PINAULT
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEDNA

01-69-08-91-87

Directeur de thèse :

Arnaud MORIN
CEA - DRT/DEHT//LCP

0438785986

Page perso : https://iramis.cea.fr/Pisp/mathieu.pinault/

Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/ledna/

Ce travail de thèse s’intéresse au développement d’une nouvelle structure de microporeux pour couche de diffusion de gaz de PEMFC. Le développement de nouveaux matériaux pour piles de type PEM est une nécessité pour améliorer la densité de puissance fournie, réduire le coût des matériaux et le prix du système. Les PEMFC souffrent de problématiques reliées à la distribution d’eau liquide à l’intérieur de la pile, et notamment dans ses couches poreuses. Le microporeux est une des couches poreuses dont le rôle est d’optimiser cette répartition d’eau. Développer une nouvelle structure de microporeux peut permettre d’apporter des informations supplémentaires sur les paramètres influant la gestion de l’eau dans la cellule, et également donner une voie d’amélioration des performances de la pile. . Dans le cadre du projet PEPR (Programme et Equipements Prioritaires de Recherche) H2 PEMFC95, les Départements CEA de l’IRAMIS (Saclay) et de l’Hydrogène pour le Transport (LITEN-DEHT Grenoble) vont collaborer sur l’élaboration de matériaux de GDL optimisés et innovants à base de nanotubes de carbone, plus adaptées aux conditions de fonctionnement définies. Les tapis de NTC alignés ont en effet démontré leur efficacité en tant que couche microporeuse [1]. Les performances sont au moins similaires à la meilleure couche de diffusion de gaz de l'état de la technique en fonction des conditions, et une amélioration jusqu'à 30% de la densité de puissance a pu être obtenue, sans aucun traitement hydrophobe. Pour ce sujet de thèse, nous proposons de poursuivre les développements de ces couches de diffusion intégrant des NTC pour leur intérêt en terme de stabilité vis-à-vis de l’oxydation et leur hydrophobicité en réalisant des couches microporeuses présentant une porosité variable. L’objectif de les substituer à la GDL tout en améliorant la compréhension sur son rôle et d’une manière générale sur les phénomènes de transport dans un cœur de PEMFC. Pour ce faire, le travail comporte deux volets. Un volet matériaux avec des aspects de fabrication et de caractérisation des propriétés fonctionnelles et un volet électrochimie avec des mesures en pile à combustible
Caractérisation in situ et en temps réel de nanomatériaux par spectroscopie de plasma

SL-DRF-23-0402

Domaine de recherche : Physique atomique et moléculaire
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie (NIMBE)

Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA)

Saclay

Contact :

Marc BRIANT

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2023

Contact :

Marc BRIANT
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE

01 69 08 53 05

Directeur de thèse :

Marc BRIANT
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE

01 69 08 53 05

Page perso : https://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=mbriant

Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/ledna/

L'objectif de cette thèse est de développer un dispositif expérimental permettant de réaliser l'analyse élémentaire in situ et en temps réel de nanoparticules lors de leur synthèse (par pyrolyse laser ou pyrolyse par flamme). La spectrométrie d'émission optique de plasma induit par laser (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS) sera utilisée pour identifier les différents éléments présents et leur stœchiométrie.



Les expériences préliminaires menées au LEDNA ont montré la faisabilité d'un tel projet et en particulier l'acquisition d'un spectre LIBS d'une nanoparticule unique. Néanmoins le dispositif expérimental doit être développé et amélioré afin d'obtenir un meilleur rapport signal sur bruit, d'augmenter la limite de détection, de tenir compte des différents effets sur le spectre (effet de taille des nanoparticules, de composition ou de structure complexe), d'identifier et de quantifier automatiquement les éléments présents.



En parallèle, d'autres informations pourront être recherchées (via d'autres techniques optiques) comme la densité de nanoparticules, la distribution de taille ou de forme.
Synthèse de nanoparticules de diamant à façon

SL-DRF-23-0347

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie (NIMBE)

Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA)

Saclay

Contact :

Hugues GIRARD

Jean-Charles ARNAULT

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2023

Contact :

Hugues GIRARD
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEDNA

0169084760

Directeur de thèse :

Jean-Charles ARNAULT
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEDNA

01 68 08 71 02

Page perso : https://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=hgirard

Labo : https://iramis.cea.fr/NIMBE/LEDNA/

Les nanoparticules de diamant possèdent des propriétés chimiques, électroniques, thermiques et optiques exceptionnelles. Elles sont utilisées actuellement dans les domaines de la nano-médecine, de l’énergie, des technologies quantiques, des lubrifiants et des composites avancés [1-3]. Pour la majeure partie de ces applications, la qualité cristalline du cœur diamant est essentielle et les particules les plus étudiées sont issues de diamant massif broyé. Cependant, ces particules présentent une forte dispersion de taille, une anisotropie de forme et des concentrations d’impuretés variables. Ces aspects influent beaucoup sur leurs propriétés. Il y a donc une nécessité de mettre au point une méthode de synthèse de nanodiamants de haute qualité cristalline qui garantisse un contrôle plus fin de leur taille, de leur morphologie et de leur niveau d’impuretés.



Ce sujet de thèse se propose d’étudier la synthèse de nanodiamants par une approche bottom-up utilisant un template sacrificiel (billes ou fibres de silice) sur lequel des germes de diamant nanométriques seront fixés par interaction électrostatique. La croissance des particules de diamant sera réalisée en exposant ces objets à un plasma de croissance de dépôt chimique en phase vapeur activé par micro-ondes (MPCVD). Le dispositif de croissance de dépôt sur billes existe déjà au CEA NIMBE, il est actuellement utilisé pour la synthèse de cœur-coquilles de diamant [4]. Les paramètres de croissance seront ajustés pour sélectionner la taille, la forme et la concentration d’impuretés (azote, bore) dans les nanodiamants. Après croissance, les nanoparticules seront collectées après dissolution du template. Leur structure cristalline, leur morphologie et leur chimie de surface seront étudiées au CEA NIMBE par microscopie électronique à balayage, par diffraction des rayons X et par spectroscopies Raman, infrarouge et de photoélectrons (XPS). Une collaboration extérieure permettra de réaliser une analyse fine de la structure cristallographique et des défauts structuraux par microscopie électronique en transmission à haute résolution (HR-TEM).



Au cours de cette thèse, plusieurs types de nanodiamants seront synthétisés : tout d’abord des nanoparticules intrinsèques (sans dopage intentionnel) ensuite des nanoparticules dopées au bore. Ces deux types de particules seront ensuite modifiées en surface pour leur conférer une stabilité colloïdale. Leurs performances pour la photocatalyse seront mesurées en collaboration avec l’ICPEES de Strasbourg. Cette méthode de synthèse originale pourra aussi permettre de créer des centres colorés (azote-lacune NV ou silicium-lacune SiV) dans les nanoparticules de diamant pour exploiter leurs propriétés optiques (collaboration à initier).



Références :



[1] N. Nunn, M. Torelli, G. McGuire, O. Shenderova, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 21 (2017) 1-9.

[2] Y. Wu, F. Jelezko, M. Plenio,T. Weil, Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 6586–6598.

[3] H. Wang, Y. Cui, Energy Applications 1 (2019) 13-18.

[4] A. Venerosy et al., Diam. Relat. Mater. 89 (2018) 122-131.
Stages
Développement de la croissance de nanotubes alignés pour des études in-situ par micorscopie électronique à transmission (MET)

Spécialité

Génie des procédés

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

CHARON Emeline
+33 1 69 08 63 16

Résumé/Summary
L'objectif du stage est d'ajuster les configurations et conditions expérimentales de synthèse de nanotubes de carbone (NTC) au regard des contraintes imposées par l’environnement d'un microscope électronique à transmission (E-TEM) de manière à démontrer la faisabilité de la croissance dans ces conditions. L’approche envisagée est l’implémentation de notre procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par un aérosol (AACCVD) sur le microscope.
The objective of the internship is to adjust the configurations and experimental conditions for the synthesis of carbon nanotubes (CNT) with respect to the constraints imposed by the environment of a transmission electron microscope (TEM) in order to demonstrate the feasibility of growth under these conditions. The envisaged approach is the implementation of our aerosol assisted chemical vapor deposition (AACCVD) process on the microscope.
Sujet détaillé/Full description
Les tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés (VACNT) sont des matériaux aux propriétés intéressantes pour de nombreuses applications. Une méthode de choix et industriellement transférée pour la synthèse de VACNT de haute qualité est le dépôt chimique en phase vapeur assisté par un aérosol (AACCVD). Cette méthode a été jusqu’alors développée à pression atmosphérique et à haute température (800 à 850°C) [1,2] et récemment elle a été ajustée à la croissance sur aluminium qui impose des températures plus basses de l’ordre de 600°C [3,4]. Les résultats récents mettent en évidence une croissance de nanotubes alignés et denses. Toutefois, une limitation de la hauteur des tapis de VACNT se traduisant par une diminution de la vitesse de croissance en fonction de la durée de synthèse a été observée [3,5,6].

Dans ce contexte, l’objectif principal est d’approfondir notre compréhension de la croissance des VACNT spécifiquement à basse température et d’identifier les mécanismes mis en jeu de manière à aboutir à un meilleur contrôle du procédé de synthèse opéré à basse température. Pour cela, l’étude in situ, pendant la formation des nanotubes, permettant d’analyser la nature et la structure des nanoparticules catalytiques, ainsi que la formation potentielle de carbone désordonné influençant la limitation en longueur des CNT, s’avère très importante. Cette étude sera réalisée à l’échelle locale en utilisant un microscope électronique en transmission environnemental (E-TEM NANOMAX de l’Equipex TEMPOS) de manière à pouvoir analyser les nanoparticules catalytiques et le carbone en cours de formation autour des particules individuelles.
Le sujet de stage proposé s’inscrit dans ce contexte et fait l’objet d’une collaboration entre le NIMBE-LEDNA basé au CEA-Saclay et l’équipe SEEDs du département Matériaux du C2N. Il consistera, dans un premier temps, à ajuster les configurations et conditions expérimentales de synthèse des NTC au regard des contraintes imposées par l’environnement E-TEM de manière à démontrer la faisabilité de la croissance dans ces conditions. L’approche envisagée est l’implémentation de notre procédé AACCVD sur le microscope en l’adaptant de manière à pouvoir alimenter la zone de croissance avec des pressions contrôlées de vapeurs carbonées et catalytiques et permettre ainsi une synthèse des NTC à très basse pression (<1mbar). Des bâtis de tests seront utilisés pour réaliser les essais avant l’implémentation sur l’E-TEM et les premières observations. L’approche envisagée à long terme est en effet l’implémentation de notre procédé AACCVD sur l’E-TEM pour étudier in-situ la formation des NTC à basse température en mettant en œuvre une méthode CVD en une seule étape, ce qui, à notre connaissance, n’a jamais été réalisé.

[1] M. Pinault et al. (2005), Carbon 43, 2968–76.
[2] C. Castro et al. (2013), Carbon 61, 585–94.
[3] F. Nassoy et al. (2019) Nanomaterial 9, 1590.
[4] A. Combrisson et al. (2022) Nanomaterial 12, 2338.
[5] R. Xiang et al. (2008), J. Phys. Chem. C 112, 4892–6.
[6] E. Einarsson et al. (2008), Carbon 46, 923–30.

Durée souhaitée : 6 mois
Début : A partir de février
Profil : Ingénieur 3ème année ou master 2 sciences des matériaux ou instrumentation ou génie des procédés ou chimie. Des compétences dans le domaine des nanosciences et nanotechnologies ainsi que dans le développement instrumental seront bienvenues.

Les candidatures doivent être adressées par mail aux responsables du projet et doivent comporter :
- une lettre de motivation
- un CV
Mots clés/Keywords
Science des matériaux, nanomatériaux, instrumentation, chimie
Compétences/Skills
CCVD, MEB, spectrométrie Raman, bâti de tests, E-TEM
Logiciels
Pack office
Exploration de la réactivité de catalyseurs à base de TiO2 par radiolyse
Exploring the reactivity of TiO2 based catalysts from radiolysis

Spécialité

Chimie des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

25/05/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

HERLIN Nathalie
+33 1 69 08 36 84

Résumé/Summary
L'objectif du stage est de contribuer à l'exploration du potentiel de la radiolyse comme méthodes de criblage de couples réactifs/catalyseurs, en vue du développement d'une chimie économe en énergie et à plus faible impact carbone.
The objective of the internship is to contribute to the exploration of the potential of radiolysis as a screening method for reagent/catalyst couples, with a view to the development of energy-efficient chemistry with a lower carbon impact.
Sujet détaillé/Full description
Dans le contexte de la recherche de procédés moins polluants et plus économes en énergie que les procédés actuels, il est particulièrement intéressant de produire des molécules à fort enjeu telles que CH4, C2H4…. Ainsi, la fabrication d’éthylène, qui est un produit de base de l’industrie des polymères, nécessite l’emploi de hautes pressions et/ou de hautes température. Les procédés tels que la photocatalyse, qui reposent sur l’utilisation de l’énergie lumineuse, paraissent alors séduisants mais leur efficacité est parfois faible et il peut être long d’identifier les meilleurs catalyseurs pour une réaction donnée.

Le laboratoire des Édifices Nanométriques du service NIMBE est spécialiste de la synthèse de différents types de nanostructures pour répondre aux défis sociétaux des secteurs de l’énergie, de l’environnement ou encore de la santé. Dans le cadre de ses activités de recherche, il élabore, pour la photocatalyse, des nanoparticules de TiO2 pures ou modifiées en surface par des métaux [1]. L’efficacité de ces nanoparticules a été testée en photocatalyse pour la production d’éthylène. Les résultats dépendent de la nature du métal employé, de sa dispersion, de la taille des nanoparticules… Une méthode efficace de criblage des différents couples réactifs/catalyseurs serait donc particulièrement utile pour identifier les systèmes les plus performants. L’objectif du présent stage est d’utiliser la radiolyse, qui repose sur l’emploi de rayonnement ionisant pour créer des espèces excitées, pour déterminer si cette méthode peut être pertinente pour cribler efficacement des catalyseurs [2]. Pour cela, le stagiaire réalisera des tests sur des couples réactifs/catalyseurs déjà testés en photocatalyse. L’expérience consistera à préparer les mélanges réactifs/catalyseurs en ampoules scellées, à les irradier et à mesurer les gaz produits, en particulier H2 et C2H4.

Ainsi, le stagiaire aura pour mission de mesurer les différents gaz produits par irradiation de divers couples réactifs/catalyseurs et de comparer ces données à celles obtenues préalablement par photocatalyse. En fonction des résultats, il pourra également être force de proposition pour étendre l’étude à d’autres catalyseurs ou réactifs.
Le stage se déroulera au CEA-Saclay dans le service NIMBE (Nanosciences pour l’innovation, les Matériaux, la Biomédecine et l’Énergie).

Contacts : Sophie Le Caër (NIMBE/LIONS) ou Nathalie Herlin-Boime (NIMBE/LEDNA)
Mots clés/Keywords
Chimie physique
Chemical physics
Compétences/Skills
Radiolyse, chromatographie phase gaz
Radiolysis, gas chromatography
Synthèse et exploration des propriétés électrochimiques d'électrolytes solides à base d'halogénures pour les applications de batteries
Synthesis and exploration of electrochemical properties of halide-based solid electrolytes for battery applications

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

21/04/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PONGILAT Remith
+33 1 69 08 51 27

Résumé/Summary
Sujet détaillé/Full description
Les batteries au lithium à l'état solide offrent d'excellentes caractéristiques en particulier en matière de sécurité et de densité d'énergie, pour les systèmes de batteries mobiles et les packs pour véhicule électrique (EV). Les batteries solides en céramique sont constituées d'une cathode composite et d'un électrolyte solide, densifiés par co-frittage et empilés avec une anode en lithium métallique ou en silicium.

Dans cette étude, nous avons choisi un matériau d'électrolyte solide à base d'halogénure Li3MCl3 (M=In, Er, Y) pour les études électrochimiques d'une configuration de batterie solide [2]. Ces électrolytes solides à base d'halogénure souffrent cependant d'une instabilité interfaciale lorsqu'ils sont en contact avec le lithium métallique, ce qui empêche leur application dans les systèmes de batteries solides à haute densité énergétique à base de lithium métallique.

Comme alternative, nous prévoyons dans ce projet d'étudier les propriétés électrochimiques et physiques d'une anode composite de nanoparticules de silicium recouvertes de carbone avec un électrolyte solide halogéné. Les anodes de silicium ont une capacité spécifique théorique élevée de 4 200 mAh/g et sont faciles à préparer sous forme de films minces, ce qui augmente leur densité énergétique [3]. Dans un premier temps, les anodes de silicium seront assemblées dans des cellules à base d'électrolyte liquide pour créer une base de référence. Des caractérisations physiques, dont la XRD, la TGA et la spectrométrie Raman, seront effectuées sur les matériaux tels que synthétisés, suivies de caractérisations électrochimiques telles que l'analyse des cycles et l'analyse EIS. Pour une analyse détaillée de l'interface, une analyse par faisceau d'ions sera effectuée sur des batteries solides plus performantes avec une anode en Si@C. Les tâches suivantes seront successivemnt abordées :

- Évaluation des performances électrochimiques des cellules avec anodes en silicium
- Préparation d'une électrode composite avec un électrolyte solide halogéné et une anode en Si@C
- Études de cyclage sur la configuration de la batterie à l'état solide
- Analyse par faisceau d'ions pour la caractérisation de l'interface

Techniques utilisées : Étude électrochimique : cyclage galvanostatique, impédance, capacité de débit et cyclage à long terme, dans divers montages électrochimiques (cellules sous pression Swagelok et pellets) et analyse par faisceau d'ions avec la microsonde nucléaire.

Profil : Étudiant en M2 avec une solide formation en électrochimie/science des matériaux/technologies de l'énergie. Une bonne connaissance des batteries au lithium et des compétences expérimentales seront appréciées.
Solid-state lithium batteries offer the most desirable characteristics such as safety and higher energy densities for mobile and electric vehicle pack battery systems. All ceramic solid-state batteries consist of a composite cathode and solid electrolyte, densified by co-sintering and stacked with a metallic lithium anode or silicon anode. [1] In this study, we selected Halide-based Li3MCl3 (M=In, Er, Y) solid electrolyte material for the electrochemical experiments in solid-state battery configuration. [2] However, halide solid electrolytes are suffering from interfacial instability when in contact with lithium metal, which hinders their application in high energy density lithium metal-based solid-state battery systems. As an alternative, in this project we plan to study the electrochemical and physical properties of composite anode of carbon coated silicon nanoparticles with halide solid electrolyte. Silicon anodes are having high theoretical specific capacity of 4,200 mAh/g and are easy to prepare in thin film forms; subsequently increasing their energy density.[3] Initially, silicon anodes will be assembled in liquid electrolyte-based cells to create a baseline. Physical characterizations including XRD, TGA and Raman spectrometry will be performed on the as-synthesized materials followed by electrochemical characterizations such as cycling and EIS analysis. For detailed interface analysis, ion-beam analysis will be carried out on better-performing solid-state batteries with Si@C anode. In general, the following tasks will be tackled:

• Electrochemical performance evaluation of cells with silicon anodes
• Composite electrode preparation with halide solid electrolyte and Si@C anode
• Cycling studies on the solid-state battery configuration
• Ion-beam analysis for interface characterization

Techniques used: Electrochemical performance tests (galvanostatic cycling, impedance, rate capability, and long-term cycling) in various electrochemical setups (Swagelok and pellet pressure cells) and ion-beam analysis with the nuclear microprobe.

Profile: M2 student with strong background in Electrochemistry/Material Science/Energy technologies. A good knowledge in lithium batteries and experimental skills will be appreciated.

[1] J. C. Bachman, et. al., Chem. Rev. 2016, 116, 140−162
[2] J. Liang, et. al., Acc. Chem. Res. 2021, 54, 1023−1033
[3] C. Keller, et. al., Nanomaterials 2021, 11, 307
Mots clés/Keywords
Electrochimie
Electrochemistry
Compétences/Skills
Cyclage galvanostatique, impédance, capacité de débit et cyclage à long terme, dans divers montages électrochimiques.
Electrochemical performance tests (galvanostatic cycling, impedance, rate capability, and long-term cycling) in various electrochemical setups
Images
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Nanocomposites à base de nanoparticules fonctionnalisées
Nanocomposites à base de nanoparticules fonctionnalisées
Nanocomposites à base de nanoparticules fonctionnalisées
Nanocomposites à base de nanoparticules fonctionnalisées
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Brevet : Système et procédé de production de poudres nanométriques ou sub-micrométriques en flux continu sous l\'action d\'une pyrolyse laser
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Synthèse de nanotubes marqués au carbone 14 pour des études de biodistribution
Synthèse de nanotubes marqués au carbone 14 pour des études de biodistribution
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Des tapis de nanotubes alignés, en grande surface !
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La biodistribution des nanotubes de carbone dans l’organisme
Nanoparticules d\'or pour la plasmonique et la nanomédecine
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Dopage à l’azote dans des cellules PV : du matériau actif au dispositif
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Amélioration des performances de batteries Li-ion par irradiation des électrodes
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Les bonnes performances d\'électrodes pour accumulateurs Li-ion à base de nanoparticules d\'oxyde métallique dopé azote élaborées par pyrolyse laser.
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Synthèse et analyse en phase gazeuse  de nano-objets / Synthesis analysis in gas phase of nano-objects
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Matériaux nanoporeux obtenus par procédés sol-gel /  Nanoporous materials obtained by sol-gel processes
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Dépôt en phase vapeur (PVD) couplé à un jet de nanoparticules, pour la synthèse de revêtements nanocomposites
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CVD pour la synthèse de nanotubes de carbone verticalement alignés et de graphène
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Matériaux nanocomposites nanostructurés (cristallisés et matière molle.) : de leur élaboration, à leurs propriétés.
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Recuit 2200°c sous atmosphère inerte /  Poste de pesée fractionnement
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Nanoparticules par pyrolyse laser
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Synthèse de nanotubes de carbone par CVD
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Etude par analyse in situ de la formation de graphène par CVD
Nano-composites : propriété mécanique et thermique de nanotubes de carbone dans une matrice polymère
La forme des nanomatériaux : une caractéristique déterminante dans le blocage de l’autophagie, un mécanisme sous-jacent de la toxicité
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Brevet : Procédé de fabrication de nanotubes de carbone verticalement alignés, et condensateurs électrochimiques utilisant ces nanotubes comme électrodes
Brevet : Procédé de préparation d\'une électrode comprenant un support en aluminium, des nanotubes de carbone alignés et un polymère organique électro-conducteur, la dite électrode et ses utilisations
Brevet : Procédé de préparation de matériaux hybrides cœur-coquille
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Brevet : Dispositif de dépot de particules de taille nanométrique sur un substrat
Brevet : Préparation de nouveaux capteurs et filtres d\'aldéhydes et/ ou de cétones
Brevet : Procédé de préparation d\'un matériau composite, matériau ainsi obtenu et ses utilisations
Brevet : Procédé de synthèse de nanoparticules silicium-germanium de type cœur-coquille par pyrolyse laser, procédé de fabrication d\'une électrode pour batterie au lithium et électrode associée
Brevet : Couvercle anti-odeur
Brevet : Procédé de croissance de nanotubes de carbone en surface et dans le volume d\'un substrat carboné poreux et utilisation pour préparer une électrode
Brevet : Procédé de préparation de matériau sol-gel silicaté nanoporeux monolithique
Brevet : Dispositif microfluidique comportant une microgoutte présentant une matrice sol-gel
Brevet : Traitement d\'un film mince par plasma d\'hydrogène et polarisation pour en améliorer la qualité cristalline
Synthèse à façon de nanoparticules d\'or hybrides et leurs multiples applications
La radiolyse pour l\'étude rapide du vieillissement d\'électrolytes de batteries lithium–ion
Nouvelles technologies de l\'énergie @ NIMBE

 

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