Projets financés

Projets en cours

Projet ANR BiBOP : Bi-Based nanOmaterials for Photocatalysis, 2024-2028.

Collaboration avec IMN (Nantes), IP (Clermont-Ferrand), IFPEN (Solaize).
 

Après avoir prouvé l’activité de photoconversion sélective du CO2 par des hétérojonctions BiOxFy/Bi en couches minces obtenues par pulvérisation réactive, le projet BiBOP s’intéresse à leur nanostructuration, sous forme de nano-piliers ou de nanoparticules. L’objectif est ici d’augmenter la surface de contact avec le CO2 et de réduire la distance à parcourir pour les charges photo-générées, afin d’augmenter le rendement photocatalytique. Pour cela, techniques de dépôt compatibles avec la PVD ont été mis en œuvre, tels que le dépôt en angle oblique et la pulvérisation sur liquide.

PEPR SPLEEN – Projet Power CO2 – Action “Plasmons”, 2022 – 2027.

Collaboration avec ICPEES (Strasbourg), IFPEN (Solaize).
 

L’objectif de l’action plasmons est d’utiliser l’ajout de nanoparticules plasmoniques à des photocatalyseurs inorganiques afin d’en intensifier le rendement de conversion, tout en favorisant la sélectivité pour former du CO. Pour cette application, les matériaux de Bismuth sont des composés de choix. Ils seront associés à des nanoparticules de taille diverses (< 10 nm à plusieurs centaines de nm), selon les techniques de synthèse utilisées (exsolution, ablation laser, pulvérisation sur liquide), afin de mieux comprendre les synergies à l’intérieur de ces systèmes.

Projets Réseaux – 2023-2025. Collaboration avec le LMGE et le PIAF (Clermont-Ferrand) ainsi que d’autres thématiques au sein de l’ICCF.

Les rejets de stations d’épuration (STEP) constituent une source importante de micropolluants chimiques qui échappent aux procédés de traitement classiques. Parmi eux figurent des métaux lourds (As, Cr, Cu, Zn, Pb), des micropolluants organiques persistants (pesticides, produits pharmaceutiques, hydrocarbures) et des substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS). Ces contaminants sont souvent réfractaires aux traitements conventionnels (primaire, secondaire, tertiaire) et persistent dans les milieux aquatiques, entraînant des risques pour la santé humaine et les écosystèmes (toxicité, bioaccumulation, effets synergiques). Le projet RESEAUX a pour objectifs principaux de caractériser la composition chimique des eaux usées brutes et traitées, tester et optimiser de nouveaux procédés de dépollution (fondés sur la photo- et la bio-remédiation, ainsi que sur l’adsorption par des matériaux lamellaires, pour cibler les micropolluants récalcitrants) et d’évaluer la faisabilité d’un traitement renforcé capable de répondre aux futures exigences réglementaires européennes en matière de “traitement quaternaire” des eaux usées (élimination d’un large spectre de micropolluants d’ici 2045).
 

Thèse UCA - Synthèse par pulvérisation réactive d’oxydes à base de Bismuth comme photocatalyseurs pour l’environnement et la production de nouveaux vecteurs énergétiques – 2022 – 2025.

Le développement d’une photoanode performante constitue à l’heure actuelle le point bloquant des procédés de production de H₂ par photolyse de l’eau. Une thèse UCA s’intéresse au dépôt de couches minces de BiVO₄ par la co-pulvérisation de 2 cibles (de Bi et de V) dans une atmosphère Ar/O₂ afin de maîtriser le rapport V/Bi des films obtenus. Ainsi, des couches stœchiométriques mais aussi des hétérojonctions associant BiVO₄ à des oxydes de Bismuth ou de Vanadium peuvent être obtenues. L’originalité de ce travail réside également dans la maîtrise de l’étape de recuit qui permet, en jouant sur la diffusion du Bi, d’obtenir des films à porosité contrôlée favorisant le contact avec l’eau. Enfin, la décoration de ces systèmes par des nanoparticules métalliques est aussi à l’étude.

Action MOBIDIC : Modélisation de phOtocatalyseur à base de BIsmuth pour le DomaIne des Carburants solaires, Financement CIR 2 - depuis 2022.

L’ICCF et l’IP collaborent depuis plusieurs années autour de la modélisation, l’optimisation et la réalisation de systèmes à propriétés optiques contrôlées (action NanoCAR). L’objectif du projet MOBIDIC est de s’appuyer sur cette collaboration de longue date pour développer des hétérostructures à base de Bi pour la production de carburants solaires. L’augmentation de l’efficacité photocatalytique requière une compréhension fine des processus optiques et électroniques mise en jeu. Pour adresser cette problématique, l’ICCF et l’IP combinent leurs expertises en matière de fabrication-caractérisation optique et de modélisation-simulation des propriétés électromagnétiques et électroniques sur des systèmes. Ils cherchent notamment à mieux comprendre les effets synergies entre un photocatalyseur (BiVO₄, BiO_0.5F₂…) et des nanoparticules métalliques à effet plasmonique.

Projet PULSION : PUlvérisation sur Liquide ionique de nanoparticules à base de bismuth et SImulation de leurs propriétés pour la photocONversion du CO₂, Financement I-SITE - 2021-2022.

Collaboration avec l’IP (Clermont-Ferrand)
 

L’objectif du projet PULSION est le développement et le contrôle du procédé de pulvérisation sur liquide en mode réactif. Cette technique est jusqu’à présent principalement utilisée en mode inerte afin de synthétiser des nanoparticules métalliques de grande pureté, présentant une distribution en taille très resserrée. Dans le projet PULSION, des gaz réactifs sont ajoutés lors de la pulvérisation d’une cible de Bismuth au-dessus d’un liquide ionique afin de former des nanoparticules de type BiO_xF_y photocatalytiques de composition et de taille contrôlée.

Projet ANR PRCE NANOPLAST : Nanocomposites en couches minces élaborés par Plasma pour Applications Solaires Thermodynamiques sous concentration. 2019-2024.

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

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. 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. Par conséquent, le projet NANOPLAST propose de développer, par procédés plasmas, une solution multicouche constituée de nanocomposites de type SiCH:W et d’une couche antireflet TaO_xN_y, matériaux pouvant mieux supporter les températures plus élevées et les atmosphères oxydantes des centrales solaires à rendement élevé, par rapport aux solutions existantes. 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.

Projet PLASMAREC : PLASMa, ARgiles, Emballage et Compound, financement FRI Rhône Alpes Auvergnes – 2017 - 2020.

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 (1/2CO₃^2-) 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 UCA : Synthèse de couches minces et de nanoparticules d’oxyfluorures par pulvérisation réactive pour la photocatalyse - 2017-2020.

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

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. 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 » - 2015-2025.

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.

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).

Action Nano-CAR du LABEX IMOBs³ = « NANO-structuration de Couches AntiReflets par Pulvérisation Réactive pour le Photovoltaïque Silicium » – 2013-2021.

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

Bourse Recherche Filière « Fluoplast » = Thèse de Jérémy Peyroux - 2012-2015.

Projet IRDEP/EDF : CIGS par Pulvérisation réactive- 2012-2015.

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

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.