Projets en cours


Projet ANR PRCE NANOPLAST : Nanocomposites en couches minces élaborés par Plasma pour Applications Solaires Thermodynamiques sous concentration.

Collaboration avec PROMES (Perpignan, Laurent Thomas, coordinateur du projet), IMN (Nantes), CEMHTI (Orléans), HEF/IREIS (Saint-Etienne), 2019-2023.

Le caractère novateur du projet réside dans le développement de nouveaux matériaux à fort potentiel et leur application au cas du CSP (Concentrated Solar Power), technologie EnR industrielle à grande échelle, en expansion mondiale face aux énergies fossiles. Le projet NANOPLAST se limite aux absorbeurs des champs solaires, il s'inscrit néanmoins dans une vision plus large du consortium de diminution des pertes optiques des différentes surfaces en jeu pour la conversion du flux solaire en chaleur. Plus précisément, les défaillances des récepteurs solaires utilisés à des températures supérieures à 500°C résultent d'instabilités thermiques et chimiques, induisant des pertes de performances optiques. Ces performances sont fortement impactées par les modifications de composition des revêtements et des interfaces métal-revêtement, induites par les contraintes mécaniques, la dilatation thermique, l'oxydation et la diffusion d’atomes provenant du support récepteur et des couches superficielles. Par conséquent, les matériaux et les structures stables à haute température et barrières à la diffusion que propose le projet NANOPLAST doivent pouvoir mieux supporter les températures plus élevées et les atmosphères oxydantes des centrales solaires à rendement élevé, par rapport aux solutions existantes. Pour ce faire, des études poussées de vieillissement (physicochimie et propriétés fonctionnelles) proches des conditions d'utilisation doivent aussi être mises en œuvre, ce qui est l’un des objets importants du projet NANOPLAST et en fait sa particularité, le but visé étant la prédiction de la durée de vie en fonctionnement.

Les objectifs visés par le projet NANOPLAST sont:

    • le développement de matériaux nanocomposites multifonctionnels multicouches
    • élaborés par technologies plasma versatiles haute densité, à fort potentiel de transfert vers l'industrie
    • à haut rendement de conversion héliothermique via la sélectivité spectrale
    • à durabilité élevée: résistance à haute température à l'air (500 < T < 700 °C) en conditions d'applications solaires et à forte tenue aux contraintes thermomécaniques.

Pour satisfaire ces critères, le projet NANOPLAST propose de développer la solution multicouche exemple suivante :

Concernant la fonction revêtement terminal, des premières études réalisées au sein de la thématique sur des TaON élaborés en PVD réactive plasma RF du Tantale montrent que selon leur composition atomique, les couches minces sont soit nanostructurées (inclusions d'oxyde dans le nitrure à nitrure dans l'oxyde), soit constituées d'une matrice amorphe continue, ce qui les rend versatiles. Le contrôle du dosage en éléments constitutifs permet de couvrir un large domaine de variation des propriétés, tels que les indices optiques (bas pour la famille oxydes, élevés pour les nitrures). Ces matériaux peuvent être stabilisés par recuit afin de les rendre résistants aux hautes températures pour les applications CSP. Denses, ils sont de bonnes barrières à la diffusion atomique. Leur nanostructuration (nanocomposites), entre caractère métallique et diélectrique, leur donne une valeur ajoutée pour une fonction supplémentaire auto-nettoyante (par photocatalyse et/ou caractère hydrophobe). Ces solutions sont donc pertinentes comme revêtement terminal pour des empilements multifonctionnels complets: protection HT à l'air des structures multicouches absorbantes sélectives sous-jacentes, limitation des pertes optiques (designs multicouches pour fonction antireflet), autonettoyage éventuel des surfaces d'absorbeurs. Ces matériaux étant très peu connus car complexes, il est nécessaire d'en maîtriser et préciser la nanostructure, en fonction des conditions de fabrication, pour mieux contrôler leurs propriétés optiques, antistatiques, et de tenue HT sous atmosphère oxydante sur des temps longs (durabilité).
 

Projet PLASMAREC : PLASMa, ARgiles, Emballage et Compound, financement FRI Rhône Alpes Auvergnes.

Collaboration avec des PME régionales : AcXys (Saint Martin le Vinoux), Spherex AMC (Monistrol-sur-Loire) et Leygatech (Saint-Romain-Lachalm), 2018-2021.

Ce projet propose de modifier par voie plasma l’état de surface de poudres de type Hydroxydes Doubles Lamellaires HDL afin de faciliter leur incorporation dans différentes matrices polymères en vue d’obtenir des composites avec des performances améliorées. En premier lieu, est visée une optimisation des propriétés barrières aux gaz (oxygène, CO2…) des films d’emballage.

Depuis une dizaine d'années, les plasmas à pression atmosphérique se démocratisent dans l'industrie pour des traitements de surface, poussés par la diversification des matériaux, leur complexité accrue (composites), les cahiers des charges imposant des performances élevées et les réglementations qui interdisent l'utilisation de solutions néfastes pour l'Homme et l'Environnement (réglementation européennes REACH sur les solutions liquides historiques). Les gaz utilisés dans cette technologie sont en effet très souvent inoffensifs et utilisés avec des rendements élevés.

Les Hydroxydes Doubles Lamellaires, sont assimilés à des argiles (de type anionique). Afin de prendre en compte dès le début du projet l’étape du scale up, nous utiliserons des poudres commerciales, en particulier l’hydrotalcite commerciale de composition Mg2Al(OH)6 (1/2CO32-) nH2O. Des travaux réalisés au sein de l’équipe MI ont déjà démontré l’intérêt des HDL organo modifiés comme charge minérale dans les polymères. L'anisotropie plaquettaire des HDL (facteur de forme) donne lieu à des effets barrière ; leur richesse de composition constitue par ailleurs un atout supplémentaire pour ajuster finement des propriétés du composite final.
 

Projet CIFRE HEF/IREIS : Etudes de l’interaction entre un support en PMMA et des films minces déposés par voies plasmas.

Contrat de recherche industrielle avec IREIS (Saint-Etienne) - 2018-2021.

Le groupe HEF propose pour plusieurs clients des services de traitements de pièces en polymères dans le domaine de la décoration ou pour des fonctions optiques. Un site de production du groupe a formulé un vernis capable d’assurer l’adhérence de films minces déposés sous vide. Cette solution nécessite donc plusieurs étapes préalables sur des lignes de productions qui doivent être adaptées à des procédés peu compatibles. La mise en place du traitement d’un nouveau produit nécessite ainsi un double investissement matériel et de mise au point. Par ailleurs, les procédés par voies humides sont à l’origine de rejets liquides et gazeux qui pourraient être évités en installant un procédé de dépôt sous vide. Le marché du traitement des pièces polymères représente une part croissante dans l’activité du groupe HEF que cela soit pour le secteur de l’automobile ou pour de futurs composants optiques. Parmi ces polymères, le poly(méthacrylate de méthyle)(PMMA) est très utilisé dans divers secteurs de l’industrie, notamment en décoration pour sa capacité à obtenir des pièces lisses, présentant une excellente transparence. Il peut également être utilisé pour des composants optiques. L’ajout de fonctions optiques, de décoration, électriques, thermiques, chimiques est obtenue par le dépôt de films minces et les procédés de dépôt par voie plasma sur polymères font partie des plus rependus pour revêtir des matériaux tel que ABS, PC, PET, … Le PMMA nécessite une sous couche déposée par voie humide afin d’assurer l’adhérence de ces revêtements. Une solution de dépôt par voie sèche exclusive qui doit permettre une forte réduction de coût, a fait l’objet de nombreuses études sans trouver de solution pertinente. L’objet de ce projet porte sur l’étude des processus d’interaction entre le film déposé et le PMMA, les modifications du PMMA lors du dépôt pouvant dégrader l’adhérence, et la proposition de solutions.

Thèse MESR : Synthèse de couches minces et de nanoparticules d’oxyfluorures par pulvérisation réactive pour la photocatalyse

Collaboration avec P. Bonnet, co-directeur de thèse (Thématique MF2 de MI, ICCF), J.M. Andanson (TIM, ICCF), M. Sarakha (Photochimie, ICCF) -  2017-2020.

Dans le domaine de l’environnement, de nombreuses recherches se portent sur le développement de nouveaux matériaux photocatalytiques capables de dégrader les polluants dans l’air ou dans l’eau, grâce à la lumière du soleil. Parmi les nombreux matériaux étudiés, les oxyfluorures de bismuth semblent prometteurs. L’objectif de ce projet est de manière générale de travailler sur la synthèse de ce type de matériaux photocatalytiques originaux par pulvérisation réactive. Dans un premier temps, il s’agit de former des couches minces d’oxydes puis d’oxyfluorures de bismuth par pulvérisation d’une cible de bismuth en atmosphère Ar/O2 et Ar/O2/CF4. L’utilisation et la maîtrise de gaz fluorée en pulvérisation réactive ouvrira pour la thématique MATEPP tout un nouveau champ de matériaux. De plus, il s’agira d’étudier comment la composition et la microstructure de ces films influencent leurs propriétés optiques et surtout photocatalytiques. P. Bonnet de la thématique MF2 apporte ici son expertise dans ce type de matériaux et M. Sarakha, la sienne, sur les dispositifs de mesure de la photodégradation du méthyl orange dans l’eau.  

Dans un second temps, la pulvérisation sur un liquide ionique sera utilisée pour obtenir des nanoparticules de composition variable (métal, oxyde, oxyfluorure de bismuth), avec l’aide de J.M. Andanson qui apportera sa connaissance sur les liquides ioniques. Cette technique est connue pour permettre l’obtention de distribution en taille de nanoparticules très resserrée mais elle reste principalement étudiée aujourd’hui pour la formation de nanoparticules métalliques. Il s’agira ici d’appliquer les principes de la pulvérisation réactive pour former des nanoparticules de natures différentes.

Action PhotoPLAS du LABEX IMOBS3 = « Développement d’un nouveau procédé plasma pour l’élaboration de couches minces fonctionnelles et l’amélioration des performances de cellules photovoltaïques (PV) silicium » depuis juin 2015.

Collaboration avec l’Institut Pascal (Clermont-Ferrand).

Le rôle des diélectriques déposés par PACVD devrait devenir de plus en plus important dans les années à venir, car, pour réduire le coût de l’électricité photovoltaïque, la diminution du coût du substrat silicium et l’augmentation du rendement de conversion photovoltaïque sont nécessaires.

Les techniques d’élaboration de ces films, majoritairement à partir de décompositions par plasma de mélanges gazeux contenant du silane, présentent cependant des caractéristiques (moyens importants de sécurité pour le silane, plasmas basse ou radio fréquences conduisant à de faibles vitesses de dépôt) qui limitent l’abaissement des coûts de production pourtant nécessaire au développement industriel. L’emploi de technologies plasma de dépôt n’utilisant pas la base silane gazeux et permettant d’accroître les vitesses de dépôt est donc une voie alternative pour limiter ces coûts.

Le projet PhotoPlas propose, en collaboration avec l’Institut Pascal de Clermont-Ferrand, la mise en place d’un nouveau procédé de dépôt par pulvérisation réactive (assistance radiofréquence et micro-onde) couplé à une pré-nitruration des surfaces sous ultravide et l’étude des carbonitrures de silicium hydrogénés (SiNC:H) comme alternatives au traditionnel nitrure de silicium, i) pour la passivation en face avant et arrière des cellules de type p et n, ii) pour obtenir un large domaine d’indices optiques par le contrôle du dosage des éléments constitutifs de ces matériaux et ainsi assurer la fonction antireflet et/ou réflective.

Les objectifs du projet sont l’étude de ce procédé et de la physico-chimie des films par différents moyens de caractérisations (notamment par spectroscopies électroniques AES, XPS, XAES ; ii) l’optimisation des propriétés optiques et de passivation des SiNC:H en se focalisant sur les interfaces plasma/surface et couche/substrat.

Action Nano-CAR du LABEX IMOBS3 = « NANO-structuration de Couches AntiReflets par Pulvérisation Réactive pour le Photovoltaïque Silicium » depuis juin 2012.

Collaboration avec l’Institut Pascal (Clermont-Ferrand).

L’objectif de cette action est de proposer des couches antireflets adaptées aux cellules photovoltaïques de seconde génération, c’est-à-dire en couche mince, et de les réaliser à partir de procédés à coût modéré (comme la pulvérisation cathodique). Dans ce contexte, nous avons travaillé sur la technique d’injection de gaz réactif pulsé pour piloter de manière fine le dépôt de couche mince d’oxynitrures à indice de réfraction contrôlé, lors de la thèse d’Amira Farhaoui. En parallèle, E. Centeno et R. Smaali de l’équipe Electromagnétisme et Nanophotoniques l’Institut Pascal de Clermont-Ferrand, spécialistes de la modélisation de la propagation d’onde électromagnétique dans des milieux structurés, ont simulés et optimisés les structures multicouches d’oxynitrures à atteindre. Finalement, des structures de faibles épaisseurs (< 200 nm), de faible réflectivité (4% moyenné entre 200 à 900 nm), pour une large gamme d’angle d’incidence de la lumière, ont été réalisées.

Projet de collaboration avec l’Université de Beihang (Pékin, Chine)

Collaboration avec le Pr. Cong Wang (Beihang University, Chine), depuis 2012.

Depuis 2012, nous développons une collaboration pérenne avec le Pr. Cong Wang de l’Université de Beihang sur les dispositifs solaires thermiques, convertissant la lumière du soleil en chaleur. Nous nous sommes particulièrement attachés à trouver des systèmes conservant leurs propriétés pour des températures d’utilisation de l’ordre de 500°C.

Cette collaboration a bénéficié d’un programme MAEE (Ministère français des Affaires Etrangères et Européennes), puis d’un financement de l’UCA de post-doctorant étranger d’un an. Le Pr. Cong Wang vient par ailleurs très régulièrement à l’ICCF en tant que professeur invité. En 2016 et afin d’amplifier cette collaboration, une convention a été signée entre nos deux universités.

Projets anciens

ANR Blanc HD Plasm-A-SiNOCH : « Plasmas Haute Densité Alternatifs pour les PACVD et PVD de couches minces SiNOCH » Projet ANR Blanc – 2013-2017

Consortium : PROcédés Matériaux et Energie Solaire (PROMES, Perpignan), Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN, Nantes), Institut Jean Lamour (IJL, Nancy) et l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF, Clermont –Ferrand).

Les films minces à base d’oxydes, nitrures ou carbures, à vocation optique, diélectrique (SiOx, a-SiCOH) et de passivation (a-SiNH), sont employés en microélectronique (isolation des contacts), dans le domaine des capteurs opto-électroniques, ou le domaine du photovoltaïque Ces films minces sont majoritairement réalisés à l’heure actuelle par décompositions plasmas de mélanges gazeux contenant du silane, voir ses dérivés fluorés ou chlorés (PACVD) et paradoxalement rarement élaborés par PVD. Cependant, ces technologies conduisent à une limitation dans l’abaissement des coûts de production pourtant nécessaires au développement industriel. L’emploi de technologies plasma de dépôt n’utilisant pas la base silane gazeux et permettant d’accroître les vitesses de dépôt est donc une voie alternative. Au sein du consortium, nous proposons l’utilisation de nouveaux précurseurs liquides, les organosiliciés, pour la PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), mais aussi l’emploi de plasmas hautes densités, afin d’augmenter les vitesses de dépôt. L’objectif principal de ce projet est la compréhension des phénomènes de croissance des films à partir de ces procédés innovants. Nous nous attacherons particulièrement à étudier les interactions plasma/surface et leur rôle dans le contrôler des interfaces films/substrats, qui conditionnent beaucoup de propriétés. Au sein de ce consortium, le groupe MATEPP travaille sur le développement d’un nouveau réacteur PVD (pulvérisation de cible de Si) associé à des sources micro-ondes (mélange gaz Ar/N2/CH4) pour le contrôle plus fin d’un dépôt hybride PVD/PECVD.

Bourse Recherche Filière « Fluoplast » = Thèse de Jérémy Peyroux (dirigée par Marc Dubois et Eric Tomasella) (2012-2015)

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet « Fluoplast » établi entre différents partenaires académiques de l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand et des industriels du domaine de la plasturgie de la Jeune Chambre Economique de Plasturgie de Sainte Sigolène (43), et est soutenu par la région Auvergne et les Fonds Européens de Développement Régional (FEDER). Il propose de développer de nouvelles solutions de traitement de surface pour améliorer les propriétés usuelles de films polymères commercialisés dans le domaine de l’emballage. Deux principales techniques ont été étudiées de manière indépendante ou en combinaison : la fluoration et les traitements plasma. Ce travail est fédérateur de deux compétences fortes des deux thématiques de recherche « Fluoration et Matériaux Fluorés » et « Matériaux pour l’Optique - Procédés Plasmas » de l’équipe Matériaux Inorganiques (MI) de l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF).

Pour tenter d’appréhender les mécanismes associés aux traitements par fluoration, plusieurs paramètres ont été modulés : la nature du matériau polymère à fluorer, l’espèce réactive fluorée utilisée (fluor moléculaire, fluor atomique provenant de la décomposition du difluorure de Xénon), et ses conditions d’utilisation (débit, dilution, durée d’exposition, temps d’exposition). En ce qui concerne les traitements par plasma, les paramètres modulés (nature des précurseurs gazeux employés, leurs conditions d’utilisation) ont permis de développer des traitements spécifiques permettant d’ajuster à la fois la morphologie et la composition chimique de surface. Le gaz neutre argon induit un processus de gravure (etching) et le diazote combiné ou non avec le dioxygène réagit chimiquement avec le polymère.

Projet IRDEP/EDF : CIGS par Pulvérisation réactive

Collaboration avec l’Institut de Recherche et Développement de l’Energie Photovoltaïque (IRDEP, Chatou), 2012-2015.

L’Institut de Recherche et Développement de l’Energie Photovoltaïque (IRDEP UMR CNRS/EDF, Chatou) travaille depuis de nombreuses années sur les cellules solaires de deuxième génération, avec notamment une connaissance importante du Cu(In,Ga)Se2. Jusqu’à présent ce matériau, couche active de la cellule, était obtenu par électrodéposition ou co-évaporation. Cependant, dans un souci de futur développement industriel, ils désirent maintenant déposer ce matériau en une seule étape par co-pulvérisation de cibles métalliques en présence de vapeur de Sélénium (obtenue par évaporation). Afin de développer et de maîtriser ce nouveau procédé, une collaboration a été établie avec l’ICCF autour de la thèse de Jorge Posada. Sur ce projet, nous avons développé notre expertise sur la caractérisation de ce plasma et des outils à mettre en place pour contrôler la composition élémentaire du film au cours de son dépôt. Grâce notamment à des mesures de Spectroscopie d’Emission Optique, nous avons réussi à suivre dans ce plasma les espèces métalliques et séléniées, pour comprendre leur interaction avec les cibles et les parois du réacteur et ainsi établir un modèle de croissance du matériau.

Projet Région Nouveau Chercheur : DEPOZON = « DÉpôt Plasma d’Oxyde de Zinc pour l’Optique et la Nanoélectronique » Financement Régional sur une Bourse Nouveau Chercheur (2012-2014)

Le projet DEPOZON a pour objet l’étude de nouveaux TCO (Transparent Conductive Oxyde) de type p. En effet, si les TCO de type n sont connus depuis de nombreuses années (ITO, ZnO:Al…), aucun matériau à l’heure actuelle ne possède à la fois une bonne transparence dans le visible et une conduction de type p. Pour résoudre ce problème, deux voies se dessinent : des matériaux de structure Delafossite (CuMIIIO2, AgMIIIO2) ou des oxydes de zinc dopés avec des éléments de la colonne V (N, P, As…). L’objectif du projet DEPOZON est d’explorer cette seconde voie en étudiant le dopage de l’oxyde de zinc au cours de sa croissance en pulvérisation réactive. A plus long terme, ces matériaux pourront être intégrés dans des dispositifs électroluminescents complétement transparents, de type diode (en association avec un TCO de type n comme ZnO:Al) ou à champ élevé (en association avec un matériau à forte constante diélectrique comme Ta2O5).