1.       Contexte

Les nanomatériaux et les couches minces à base de nanomatériaux ou de nanocomposites présentent des propriétés particulières liées à la taille, la forme, la dispersion et la composition des différents constituants. La préparation contrôlée de ce type de films peut se révéler difficile et dangereuse, notamment du fait de l’éventuelle toxicité des nano-objets. Les procédés plasmas assistés par aérosols permettent de lever ces verrous et ouvrent de nouvelles stratégies de développement de revêtements multifonctionnels. Par exemple, le Laplace et le LCC ont breveté une méthode safe-by-design de réacteur-injecteur de nanoparticules [Kahn, M. L.; Champouret, Y.; Clergereaux, R.; Vahlas, C.; Mingotaud, A.-F. Process for the Preparation of Nanoparticles. EP 16305977.7, 2016] qui permet de former sans risque pour les humains et l’environnement, des revêtements nanocomposites originaux respectueux des principes de la chimie verte. En particulier, les matériaux à base d’une matrice « diamond like carbon » (DLC) chargée en nanoparticules d’oxyde de zinc (ZnO) de taille inférieure à 10 nm présentent des propriétés multifonctionnelles (hydrophobicité, faible adhésion de l’eau) à fort potentiels (revêtements autonettoyants, anti-givre, etc.) de façon durable (i.e. faible usure mécanique).

Ces matériaux sont aujourd’hui principalement étudiés du point de vue des propriétés macroscopiques. Pour développer leur potentiel applicatif, il est nécessaire de caractériser finement la composition, la topologie et les propriétés locales de ces revêtements. Pour cela, il est intéressant d’utiliser les techniques dérivées de la Microscopie à Force Atomique (AFM) pour étudier la topographie de la surface, les propriétés mécaniques telles que l’adhésion, la déformation et le module de Young (Peak-Force Quantitative NanoMechanical – PFQNM) et la permittivité diélectrique (Electrostatic Force Microscopy- EFM).

2.       Objectif du stage

Dans ce contexte, l’objectif de ce stage est de caractériser par AFM des couches minces nanocomposites composés de différentes quantités de nanoparticules de ZnO dispersées dans une matrice type DLC et différentes épaisseurs. Ces matériaux seront élaborés par dépôt plasma assisté par aérosol en faisant varier les conditions d’injection. La caractérisation de ces matériaux nanocomposites est un défi du fait de la faible dimension des nanoparticules (inférieure à 10nm). Les méthodes dérivées de l’AFM sont prometteuses pour caractériser les propriétés fonctionnelles locales (mécaniques, électriques, thermiques…) mais les résolutions spatiales de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres pour les mesures électriques doivent encore être améliorées.

Les travaux se diviseront en plusieurs étapes. Tout d’abord une formation aux mesures AFM (topographie de surface) et aux mesures PF-QNM (propriétés mécaniques). Ensuite il conviendra d’étudier l’influence de l’épaisseur et la composition de la couche sur la topographie/morphologie de la surface et les propriétés mécaniques par AFM/PF-QNM. Enfin, il conviendra d’initier une réflexion portant sur l’impact des propriétés locales sur les propriétés macroscopiques.

3.       Compétences requises

Ce stage permettra au candidat d’obtenir des compétences en matériaux et en caractérisant par AFM, et d’intégrer un projet pluridisciplinaire mêlant chimistes, physico-chimistes et physiciens. Le choix se portera sur un candidat faisant preuve de curiosité et d’intérêt pour des expériences complexes et du sujet pluridisciplinaires.