Comprendre les défauts dans les nanomatériaux : analyses structurales multi-échelles

Understanding defects in nanomaterials: Multiscale structural analyses

• Auteur / Autrice : Clara Doisneau
• Direction : Capucine Sassoye
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de la matière condensée de Paris

Mots clés

Mots clés libres

Nanomatériaux

Défauts

Structure locale

Nanomaterials

Defects

Local structure

Résumé

Pour lever des verrous technologiques majeurs tels que la durée de vie des batteries, la dépollution de l'air ou encore la création de traitements médicaux sur mesure, il faut se mettre en quête de nouveaux nanomatériaux, pour lesquels l'échelle nanométrique est à l'origine de propriétés particulières. Ces propriétés, telles qu'un comportement magnétique nouveau, une forte activité en catalyse ou l'émission de couleurs très pures naissent de deux traits propres à cette échelle : les effets de confinement quantiques et la forte proportion d'atomes en surface par rapport à ceux au cœur du matériau. Cette description traditionnelle oublie pourtant le rôle de la structure du matériau, i.e. l'arrangement entre les atomes, alors même que ses propriétés en dépendent en premier lieu. Or, on sait aujourd'hui que l'ordre atomique dans des nano-objets peut être fortement modifié par rapport au matériau massif (solide idéal) : par exemple, le nanomatériau peut être plus désordonné que le cristal infini, ou présenter un paramètre de maille différent, ou encore accepter davantage de défauts. Ainsi, retracer l'origine des propriétés particulières des nanomatériaux ne peut se faire qu'en connaissant l'agencement intime des atomes dans ces nano-objets. Dans ce projet, nous allons chercher à comprendre la structure atomique de nano-objets, comment elle se distingue des matériaux massifs, en cœur ou en surface, pour expliquer les propriétés de nouveaux matériaux. Pour atteindre cet objectif, nous utiliserons la diffusion totale des rayons X et des neutrons, méthode qui permet d'observer à l'échelle locale les structures dans leur globalité, c'est-à-dire y compris les déformations et défauts [1–4]. La méthode a été récemment mise en place au laboratoire LCMCP [5–10] et va permettre dans le cadre de ce travail de thèse d'étudier la structure de nouveaux nano-objets aux propriétés originales (optique, magnétique, électronique, mécanique, réactivité de surface) pour des applications dans les domaines de l'énergie (stockage et conversion), de l'environnement (matériaux durables, dépollution, valorisation du CO2 ) et de la santé (imagerie, hyperthermie).

In order to overcome major technological obstacles such as lifespan of batteries, air pollution control or the creation of customized medical treatments, we need to search for new nanomaterials, for which the nanometric scale is the source of specific properties. These properties, such as new magnetic behaviors, high activities in catalysis or emission of very pure colors, arise from two features specific to this scale: the effects of quantum confinement and the high proportion of atoms on the surface compared with those at the core of the material. However, this traditional description forgets the role of the structure of the material, i.e. the arrangement between the atoms, even though its properties depend primarily on it. Nowadays, we know that the atomic order in nano-objects can be strongly modified compared to the bulk material (ideal solid): for example, the nanomaterial can be more disordered than the infinite crystal, or present a different lattice parameter, or accept more defects. Thus, tracing the origin of the particular properties of nanomaterials can only be done by knowing the intimate arrangement of the atoms in these nano-objects. In this project, we will seek to understand the atomic structure of nano-objects, how it differs from bulk materials, in core or surface, to explain the properties of new materials. To achieve this goal, we will use total X-ray and neutron scattering, a method that allows us to observe structures on a local scale in their entirety, i.e. including deformations and defects[1-4]. This method has recently been implemented in the LCMCP laboratory[5-10] and will allow us to study the structure of new nano-objects, with original properties (optical, magnetic, electronic, mechanical, surface reactivity) for applications in the fields of energy (storage and conversion), environment (sustainable materials, depollution, CO2 valorization) and health (imaging, hyperthermia).