Service de Physique de l'Etat Condensé
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L’utilisation de l’hydrogène H2 comme vecteur d’énergie propre est l’un des axes technologiquement viables aujourd’hui1. L’hydrogène peut être produit par photoélectrolyse de l’eau : une réaction d’électrolyse utilisant des électrodes activées par la lumière solaire. L’hématite, très abondante sur Terre, est un matériau photosensible permettant de fabriquer des anodes pour ce type de réaction. Par des méthodes simples, comme le recuit sous atmosphère contrôlée d’azote, des scientifiques du SPEC, de la ligne HERMES et de l’ICPMS ont réussi à améliorer la production d’hydrogène par les photoanodes à base d’hématite. Les instruments de mesure de pointe de la ligne de lumière HERMES permettent de comprendre l’origine de cette amélioration et ouvrent la voie vers des approches simples, abordables et efficaces, visant l’optimisation des matériaux pour les cellules de photoélectrolyse de demain. |
Molecular Electronics is a field of research that aims at designing new electronic devices based on molecules. Unfortunately, lack of stability of molecular junctions induces a lack of reproducibility in the measurement process which prevents from a large scale utilization, in particular at the industrial level. A potential approach to overcome this difficulty lies in performing in operando characterizations, in order to get a better understanding of molecular devices and to improve their reliability.
This is what has been achieved through the collaborative work of different research teams from IMDEA-Nanociencia, Universidad Autonoma and Universidad Complutense in Madrid, University of Barcelona, ALBA Synchrotron and Centro de Astrobiologia in Torrejon de Ardoz, in Spain, and SPEC at University Paris-Saclay. These researchers have designed and realized a multifunctional hybrid molecular graphene field effect transistors which enables in operando spectroscopy.
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Du fait de ses propriétés électroniques très spécifiques, le graphène, simple feuillet d'épaisseur atomique de graphite, est largement étudié et de multiples applications potentielles sont proposées avec la réalisation de capteurs, de batteries… et aussi de matériaux composites. Depuis cette découverte en 2004, d'autres matériaux 2D aux propriétés spécifiques ont été élaborés, tel que le phosphorène en 2014, avec ses deux structures bleue et noire. La collaboration entre l'ISMO, le Synchrotron Soleil, les Universités UCF-USA et Mohammed V-Maroc, associée à un théoricien du SPEC, montre que le phosphorène bleu présente effectivement une structure électronique au niveau de Fermi comparable à celle du graphène. De quoi ouvrir de nouvelles applications potentielles ?
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| Depuis son invention en 1985, la microscopie à force atomique (Atomic Force Microscopy) a largement progressé en fournissant une base pour les nombreuses microscopies et spectroscopies dérivées, avec notamment des sondes de charge électrique, résistives, magnétiques, thermiques et avec divers couplages optiques (Raman, IR). Dès l’origine, les cantilevers, structures en silicium micro fabriquées avec la pointe, et le système de détection optique se sont imposés. En mode statique (Contact Mode), l’amélioration de la sensibilité obtenue par diminution de la raideur des leviers se heurte aux effets de capillarité qui perturbent la mesure de force et génèrent des instabilités susceptibles d’endommager la surface en cas de friction excessive. C’est pourquoi des modes dynamiques, faisant osciller verticalement la pointe (Tapping Mode ou Amplitude Modulation AFM) ont été développés, ce qui a permis l’emploi de sondes plus rigides plus stables. On note cependant que les amplitudes d’oscillation de la pointe de l’ordre de quelques nanomètres dégradent la résolution latérale. |
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L’utilisation de l’hydrogène H2 comme vecteur d’énergie propre est l’un des axes technologiquement viables aujourd’hui1. L’hydrogène peut être produit par photoélectrolyse de l’eau : une réaction d’électrolyse utilisant des électrodes activées par la lumière solaire. L’hématite, très abondante sur Terre, est un matériau photosensible permettant de fabriquer des anodes pour ce type de réaction. Par des méthodes simples, comme le recuit sous atmosphère contrôlée d’azote, des scientifiques du SPEC, de la ligne HERMES et de l’ICPMS ont réussi à améliorer la production d’hydrogène par les photoanodes à base d’hématite. Les instruments de mesure de pointe de la ligne de lumière HERMES permettent de comprendre l’origine de cette amélioration et ouvrent la voie vers des approches simples, abordables et efficaces, visant l’optimisation des matériaux pour les cellules de photoélectrolyse de demain. |
| Le LLB et le SPEC s'équipent d'un four à image pour la croissance de monocristaux par la méthode de fusion de zone flottante. Cet équipement permettra de réaliser des monocristaux orientés de taille centimétrique et de haute pureté chimique, pour l’étude des matériaux quantiques (composés supraconducteurs, multiferroïques ou multifonctionnels...), jusqu’au magnétisme quantique dans des systèmes de basse dimension. |
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La caractérisation d’espèces paramagnétiques au sein d'un échantillon par Spectroscopie de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE, ou en anglais Electron Spin Resonance- ESR) a de multiples applications en chimie, biologie, et même en archéologie et dosimétrie. Cette technique, vieille de 80 ans, consiste à mesurer l’absorption de rayonnement micro-onde par des spins électroniques à leur fréquence de résonance, grâce à un résonateur pour la détection. L'équipe quantronique du SPEC et ses collaborateurs développent depuis 10 ans un programme de recherche visant à utiliser l’extrême sensibilité des circuits supraconducteurs en régime quantique (refroidis à 10 mK) pour effectuer la spectroscopie RPE d’un unique spin. À la suite d’améliorations successives de la sensibilité, cet objectif ultime vient d'être atteint, au moyen d'un compteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur de type transmon. |
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Les liquides surfondus (qui se trouvent dans un état métastable, sous leur température de cristallisation) voient leur dynamique à l’échelle moléculaire ralentir fortement lors qu’ils sont refroidis. Celle-ci peut devenir si lente que le système apparait figé (dans un état hors équilibre) du point de vue des échelles de temps accessibles expérimentalement. Le matériau a alors les propriétés d’un solide et on parle de verre. Aux alentours de la température de transition vitreuse Tg, l’évolution des propriétés physiques du matériau lorsque celui-ci se rapproche de son état d’équilibre correspond à ce que l’on appelle le vieillissement physique. On dit que l’on est à la température de transition vitreuse lorsque le temps moyen de relaxation moléculaire1 τα égal à 100 s. Etudier la manière dont un liquide surfondu près de Tg, déstabilisé par un changement de sa température, retourne à son état d’équilibre renseigne sur les mécanismes de relaxation moléculaire. Le fait que τα dépende très fortement de la température rend ce type de réponse non linéaire pour des échelons de température de seulement quelques kelvins d’amplitude : un refroidissement est associé à un phénomène d’auto-retardement (le temps de relaxation devient de plus en plus lent au fur et à mesure que le système se rapproche de son état d’équilibre), tandis qu’un échauffement conduit à une auto-accélération de la dynamique. |
