FRtdMjl» Rapport d'activité n 19 COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES DE GRENOBLE INSTITUT DB RBCHBMCHB PONDAMINTALI

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1 FRtdMjl» ISSN 01M.66tt DEPARTEMENT DE RECHERCHE FONDAMENTALE DE GRENOBLE o Rapport d'activité 1982 n 19 COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES DE GRENOBLE INSTITUT DB RBCHBMCHB PONDAMINTALI

2 Notre couverture : Diagramme de diffraction des neutrons aux petits angles de la fibrine orientée en champs magnétiques intenses. (cf. Note Scientifique page 195). Ce numéro a été imprimé par le service de reprographie du C.E.N.G.

3 COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE INSTITUT DE RECHERCHE FONDAMENTALE CENTRE D'ETUDES NUCLÉAIRES DE GRENOBLE Note CEA-N-2364 ISSN-OISO-6688 " DRF-6 " DÉPARTEMENT DE RECHERCHE FONDAMENTALE DE GRENOBLE RAPPORT D'ACTIVITE 1982 H' 19 Pour tous renseignements, s'adresser à M. SERVOZ-GAVIN Centre d'etudes Nucléaires de Grenoble, 85 X, GRENOBLE Cedex Tél. : (76) , poste 35-05

4 - 1 - TABLE DES MATIERES pages ORGANIGRAMME DRF~G 2 PRESENTATION D'ENSEMBLE DU DRF-G 3 THEMES DE RECHERCHE 7 1. Physique de la matière condensée 9 2. Physique nucléaire 3? 3. Chimie et physicochimie Biologie 59 NOTES SCIENTIFIQUES Physique de la matière condensée Physique nucléaire Chimie et physicochimie Biologie 171 LISTE DES PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES

5 - 2 - C.E.A.-I.R.F. DEPARTEMENT DE RECHERCHE FONDAMENTALE DE GRENOBLE (DRF-G) Chef du Département ; J. PMLEVE Adjoint : J. CHAPPERT Assistant : V. HIVERT Section de PHYSIQUE DU SOLIDE laboratoires de CHIMIE (PHS) Chef de la Section A. 80URRET (CH) Responsable : «tue R. SRI ERE Section de RESONANCE MAGNETIQUE Laboratoire de BIOCHIMIE Chef de la Section (RM) P. SERVOl-GAVW (BCH) Responsable : Pi. P. t/igna.s Laboratoire de CHIMIE PHYSIQUE NUCLEAIRE (CPN) Responsable : J. CRANÇ0N Laboratoire de BIOLOGIE MOLECULAIRE ET CELLULAIRE (BMC) Responsable : M. CHABRE Laboratoire d'interactions HYPERFINES (LIH) Responsable : M. SÛGl Laboratoire d 1 HEMATOLOGIE (HEM) Responsable : Itne /. SENA8ÏP Laboratoire de CIPfRACTION NEUTRONIQUE (ON) Responsable : G. HÛULT Laboratoire de B'OLOGIE VEGETALE (BV) Responsable : A. FOWCV ORGANIGRAMME ORF-G Sfcptemore 1983

6 PRESENTATION D'ENSEMBLE DU DRF-G Le Département de Recherche Fondamentale de Grenoble (DRF-G) appartient à l'institut de Recherche Fondamentale qui regroupe, au sein du CEA, l'essentiel de la recherche fondamentale. Le ORF-G, Implanté au Centre d'etudes Nucléaires de Grenoble (CEN-G), compte actuellement un effectif global de 382 personnes, dont 268 sont des chercheurs. Ce Département présente deux caractéristiques originales : la première est de rassembler a la fois des physiciens (50 S), des chimistes (15 l) et des biologistes (35 S). Cet aspect pluridisciplinaire, qui se trouve rarement ailleurs, facilite les rencontres entre chercheurs des trois disciplines et se concrétise par des actions communes fructueuses ; la deuxième particularité est la coexistence de personnels de statuts divers : sur les 200 chercheurs permanents, 92 dépendent du CEA, 49 du CNRS, 44 de l'université de Grenoble (USMG) et 12 de VINSERM. Se ce fait, plusieurs équipes sont associées au CNRS ou à l'inserm, en particulier en chimie et en biologie. Dans le domaine de la EfflSIOUE, l'activité se concentre surtout en physique de la matière condensée. Ainsi, dans la Section de Physique du Solide, les études concernent essentiellement la métallurgie physique des systèmes cristallins et amorphes, Insistant notamment sur l'aspect défauts dans les métaux et alliages (lacunes, dislocations, joints de grains). Les méthodes classiques (nyons X, résistivité électrique, traînage magnétique, traînage mécanique, frottement interne) sont complétées par des méthodes plus sophistiquées (RMN, annihilation de positons, microscopic électronique à haute résolution, spectroscopic de muons). Toujours sous l'aspect défauts, mentionnons la localisation de l'hydrogène par canalisation et l'étude de ses interactions avec les défauts. Un effort particulier est mené sur les amorphes, tant du point de vue élaboration qu'étude structurale, par diverses méthodes expérimentales ainsi que par simulation sur ordinateur. Les semi-conducteurs sont aussi une classe de matériaux qui font l'objet d'investigations approfondies dans les Sections de Physique du SoHue et de Résonance Magnétique. Les plus étudiés sont le silicium cristallin et amorphe ainsi que les sem1-conducteurs II-VI : ZnO, ZnTe, CdTe et CdS, pour lesquels on utilise de façon intense les techniques spectroscopiques comme la RPE, la RMDO (résonance magnétique détectée optiquement), les spectroscopies de luminescence et infra-rouge. Le magnétisme constitue, depuis la naissance du CEN-G, un thème prioritaire en recherche for mentale, de par la présence de sources intenses de neutrons que sont les réacteurs Méluslne et S.loé ainsi que 1e réacteur à haut flux de 1'ILL. Au f11 des années des sujets de recherches privilégiés ont émergé, sur lesquels 1e Laboratoire de Diffraction Neutronlque a acquis une notoriété internationale. A ceci s'ajoutent d'autres activités sur le même tiième du magnétisme, menées a 1'aide de techniques microscopiques cornue la spectroscopic MBssbauer et les corrélations

7 4 angulaires Y-Y au Laboratoire d'interactions Hyperf ines, ou Ta Ml dans la Section de Résonance Magnétique, sans oublier les méthodes plus classiques de mesures d'aimantation mises en oeuvre en Section de Physique du Solide ainsi que dans les Laboratoires de Chimie. C'est actuellement l'étude des composés de terres rares et d'actinides qui domine largement les "«cherches entreprises dans ce domaine au ORF-6. Toujours orientées vers le magnétisme statique et la diffraction (structures magnétiques et densité d'aimantation) ces activités se tournent maintenant de plus en plus vers la diffusion inélastique et l'étude sur monocristaux de diagrammes de phases, notamment pour les composés de terres rares dites "anormales". Les alliages magnétiques amorphes a base de terres rares étudiés au Laboratoire d'interactions Hyperfines ont été les précurseurs au ORF-G de l'importante activité "amorphe" qui s'y développe maintenant. Là encore c'est l'aspect dynamique qui prévaut maintenant après une première période d'études consacrées à la détermination des structures magnétiques dans l'état fondamental. Un autre système original est constitué par les systèmes uni et b1-dimensionnels qui peuvent être modélisés plus facilement que les systèmes tridimensionnels et pour lesquels les mesures de RHN tes chercheurs de la Section de Resonance Magnétique se combinent heureusement aux mesures de diffraction de neutrons du Laboratoire de Diffraction Neutronlque. Mentionnons enfin un thème très r-écemment introduit au Laboratoire d'interactions Hyperf ines, celui de l'influence de l'hydrogène sur le magnétisme. On sait que des systèmes comme les phases de Laves sont capables d'absorber de grandes quantités d'hydrogène, ce qui modifie considérablement les structures électroniques et par là même les propriétés magnétiques. Ce type d'étude n'est pas sans interactions avec les mesures de rotation du spin du auon positif minées aucern à Genève par ces mêmes chercheurs. L'aspect physico-chimie moléculaire des solides et liquides est étudié grâce a des recherches menées sur quatre thèmes : - la microstructure des systèmes hétérogènes comme H. polymères contenant des ions et les membranes échangeuses, les gels physiques, les cristaux liquides ; - les interactions petites molécules substrats, en liaison avec la structure et la mobilité des couches physisorbées ; - la liaison hydrogène pour laquelle la technique infra-rouge a été très développée, notamment dans Tinfra-rouge lointain ; - l'étude de nouveaux ferroélectriques phosphores à l'aide de la RMN i haute résolution. La physique nucléaire est également présente au ORF-G. En effet, bien que ne disposant pas de machine propre, le Laboratoire de Chimie Physique Nucléaire développe, rice A la proximité des réacteurs grenoblois (Méluslne et ILL), desara (Système Accélérateur Rhône-Alpes) et du CERN (Synchro-Cyclotron et annea<< LEAR) à Genève une activité de pointe dans le domaine de la physique nucléaire. Ces recherches se poursuivent essentiellement selon trois axes : - l'étude de la fission, avec pour but la compréhension de la dynamique du processus grice i l'examen des distributions en charge et en énergie cinétique des fragments de fission I2, thermique de divers noyaux ("'Pu, Th, î n U) ; - la physique des ions lourds aux énergies intermédiaires. Oeux thèmes sont privilégiés ; les mécanismes de réaction et ïes résidus de cible d'une part, les états de spin élevés dans les noyaux impair-impair de la région des terres rares d'autre part ; - les interactions antiprotons-noyau, domaine encore totalement inexploré entre S Mev et 1 GeV, Il est également projeté de mettre en évidence et d'étudier les hyper-noyaux lourds.

8 - 5 - Dans le domine de la CHIMIE, cinq grands thèmes sont abordés au DRF-G au sein des Laboratoires de Chimie, auxquels s'ajoutent des recherches pluridisciplinaires menées en collaboration avec des physiciens ou des biologistes. Les travaux effectués en chimie de coordination concernent la synthèse de molécules originales contenant des ions de transition, la recherche de relations entre structure et propriétés physicochimiques, l'étude des interactions métal-ligand. L'objectif de ces études est la compréhension, à l'échelle moléculaire, des processus catalytiques qui interviennent au niveau du site actif de certaines métallœnzymes (hémoprctélnes, oxydases a cuivre, nitrogénase). L'étude des phénomènes d'oxydo-réduction de composés organiques ou organométalliques, ou des transferts électroniques photoinduits, est abordée par des méthodes conjuguant! 'électrochimie et la photochimie. Cette activité se développe tant sur le plan de la recherche fondamentale (étude théorique des mécanismes), que sur celui d'applications potentielles (catalyse électrochimique redox, cellules photo-électrochimiques). Les recherches menées au sein du groupe macromolécules végétales concernent les polysaccharides et la lignine. Ces études nécessitent la synthèse de molécules modèles à faible poids moléculaire. Des polysaccharides marqués en position spécifique ou statistique sont obtenus par biosynthèse. Les études conformatiomelles et celles des mouvements eu solution, sont effectuées par des techniques diverses telles que rayons X, RfW ou calculs de mécanique moléculaire. La dynamique moléculaire s'intéresse aux mouvements aléatoires de translation et de rotation de molécules dans les liquides et aux mécanismes de diffusion. Certaines interactions intramoléculaires de diphosphanes par exemple sont également abordées par RMN et permettent d'étudier les mouvements de rotation de divers groupements autour de la liaison P-P de ces composés. Enfin, le thème radiobiochimie concerne la chimie et la biologie des acides nucléiques. La synthèse de certains oligonucleotides, fragments d'adn, est effectuée. L'étude de l'action des rayonnements Ionisants sur la coupure des chaînes de k 1opo1ymères et sur les constituants élémentaires du matériel génétique est poursuivie. Le secteur BIOLOGIE du DRF-G est organisé en quatre Laboratoires : Biochimie, Biologie Moléculaire et Cellulaire, Biologie Végétale et Hématologie. Cette organisation ne définit cependant pas de frontières précises entre les principaux thèmes biologiques étudiés; des équipes de laboratoires différents contribuent souvent à l'étude des divers aspects d'un même problème. Les membrane» bic; gigues et les systèmes protélques associés aux membranes constituent un thème majeur des Laboratoires de Biochimie, Biologie Moléculaire et Cellulaire et biologie Végétale. Ces systèmes sont impliqués dans de nombreuses fonctions cellulaires fondamentales : transport, bioénergétique, signalisation Intra ou Intercellulalre. Les résultats accumulés ces dernières années sur la biochimie et l'organisation structurale des transporteurs transmembranaires (tant dans les cellules végétales que dans les cellules animales) permettent maintenant d'analyser au niveau moléculaire fin les mécanismes de transport de nucleotides ou de divers Ions. L'organisation mult1mo1écu1a1re des ATPases est aussi un problème complexe en cours d'éluddatlon. Plus généralement, la bioénergétique cellulaire étudiée au Laboratoire de Biochimie Implique aussi des molécules non directement associées aux membranes ; dans ce domaine l'étude de métalloprotéines s'effectue sous ses aspects biochimiques, physiologiques, génétiques et physlcoch1mlques grfce à des collaborations

9 gui s'étendent aux secteurs de chimie et de physique du Département. La génération, l'amplification et la transmission de signaux cellulaires s'effectuent dans ou sur les membranes (système visuel, jonction neuromusculaire) et là aussi on approche de la description complète des phénomènes en termes de physico-chimie moléculaire. La différenciation cellulaire est abordée de façon coordonnée par trois équipes, la thématique étant la encore centrée au niveau moléculaire sur les mécanismes qui contrôlent cette différenciation, au niveau du noyau ou à celui de la membrane cellulaire. Différents "modèles biologiques" sont utilisés, mais un centrage est favorisé sur le plan technique par l'utilisation d'un appareil commun, le trieur de cellules par fluorescence. Sur le système hématopotétlque, ces études ont des implications médicales importantes (leucémie). Un développement récent important pour ce thème est la mise en oeuvre de la technique des anticorps monoclonaux. Des processus biologiques apparemment sans relation comme la coagulation sanguine d'une part, étudiée au Laboratoire d'hématologie, et la réaction innunitaire du système du complément d'autre part, spécialité de l'équipe d'innunochimle du Laboratoire de Biologie Moléculaire et Cellulaire, présentent des analogies thématiques au niveau biochimique fondamental : 11 s'agit dans les deux cas de réactions multienzymatiques en cascade déclenchées par un mécanisme de défense. En physiologie végétale, â côté des études radiobiologlques des organismes chlorophilliens, spécialité bien établie du Laboratoire de Biologie Végétale, l'étude des échanges minéraux dans les tissus végétaux se développe rapidement par la technique de microsonde. Enfin, dans les domaine* où l'interférence est forte avec les techniques phvsiques de pointe, deux activités nouvelles ont récemment donné des résultats marquants : - Les applications médicales de la iw, où les débouchés tant cliniques que fondamentaux sont remarquables. - Les études structurales de protéines qui, tant dans le domaine de la cristallographie X que dans celui plus récent des analyses d'image et reconstitutions tridimensionnelles en microscopie électronique, bénéficient au maximum du voisinage des physiciens, chimistes et biologistes du ORF-G. Il est évident que toutes ces études entraînent parfois des collaborations non seulement entre plusieurs laboratoires du DRF-G dans le cadre d'actions pluridisciplinaires, mais aussi avec d'autres unités du CES-G. C'est tout particulièrement le cas avec le Laboratoire d'electronique et de Technologie de T Information (LETI) et avec le Département de Métallurgie (DMG). Oes relations étroites existent également avec les laboratoires grenoblois du CNRS, de l'usmg, ainsi qu'avec le Centre Hospitalier. Le ORF-G prend une part active dans le Centre Grenoblois de Résonance Magnétique (CGRM), commun au CEA, au CNRS et à TUSMG. ue façon plus générale, 11 apparaîtra clairement, à la lecture de ce rapport que,tant sur le plan national qu'international, le ORF-G entretient des collaborations fructueuses, que ce scit a la faveur d'échanges ou de travaux comnuns avec des centres scientifiques répartis dans le monde entier,ou dans le cadre de travaux utilisant les grands équipements comme 1 ' ILL, 1e Service National des Champs Intenses (SNCI), GANIL ou encore le CERN, ce qui augmente de façon appréciable ses possibilités.

10 - 7 - THEMES DE RECHERCHE pages 1. PHYSIQUE DE LA MATIERE CONDENSEE, STRUCTURE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX Défauts cristallins,,,,,, Serai-conducteurs, Amorphes métal 1 iques,,.,, Physique moléculaire,,,, Minéralogie...,,,,.., MAGNETISME ET STRUCTURE ELECTRONIQUE Systèmes métalliques amorphes,,,,,,,, Ac ti ni des et terres rares t l, Systèmes uni et bi-dimensionnels,, Structure magnétique et densité d'aimantation Hydrogène dans les solides, Le muon positif : une sonde de la matière condensée, PHYSIQUE NUCLEAIRE ETUDE DE LA FISSION 39 L. IL. i IONS LOURDS...a... ^U 2.3. ETUDE DE REACTIONS PAR ANTI-PROTONS CHIMIE ET PHYSICOCHIMIE CHIMIE DE COORDINATION ELECTROCHIMIE ET PHOTOCHIMIE ORGANIQUES, MACROMOLECULES VEGETALES DYNAMIQUE MOLECULAIRE RADIOBIOCHIMIE 56 H. D1ULwv1C...i... 3y 4.1. SYSTEMES ASSOCIES AUX MEMBRANES METALLOPROTEI NES BIOLOGIE CELLULAIRE ET DIFFERENCIATION IMMUNOCHIMIE - SYSTEME COMPLEMENTAIRE HEMATOLOGIE...,,,...,,..,,... > PHYSIOLOGIE VEGETALE APPLICATIONS BIOLOGIQUES ET MEDICALES DE LA RMN,, ETUDES STRUCTURALES DE PROTEINES 93

11

12 PHYSIQUE DE LA RATIERE CONDENSEE pages 1.1. STRUCTURE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX Défauts cristallins n Semi-conducteurs Amorphes métalliques Physique moléculaire Minéralogie MAGNETISME ET STRUCTURE ELECTRONIQUE Systèmes métalliques amorphes Actinides et terres rares Systèmes uni et bi-dimensionnels Structure magnétique et densité d'aimantation Hydrogène dans les solides Le muon positif : une sonde de la mati ère condensée 35

13 pages 1.1. STRUCTURE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX Défauts cristallins Semi-conducteurs Amorphes métalliques Physique moléculaire Minéralogie 23

14 DEFAUTS CRISTALLINS I. DEFAUTS PONCTUELS Pour analyser la structure des solides cristallins, et des défauts qu'elle présente de manière intrinsèque ou provoquée, le physicien du métal a longtemps recherché les conditions d'étude les plus simples. Les travaux ont donc porté sur les métaux purs ou sur des métaux dopés sélectivement, en utilisant des techniques classiques comme la résistivité électrique associée aux expériences de trempe ou à l'irradiation, le traînage magnétique, le traînage mécanique ou 1e frottement intérieur. La nouveauté réside dans l'application & ces études de nouvelles techniques qui permettent de compléter efficacement les résultats antérieurs. Rappelons à ce sujet les expériences couplées de résistivité électrique et de RMI quadrupolaire effectuées pendant ou après Irradiation électronique, qui avaient permis par exemple d'accéder, dans des métaux cfc comme Al ou Cu, au gradient de champ électrique sur les couches successives de noyaux autour de la lacune. Un montage très performant d'étude de l'annihilation des positons vient d'être réalisé. On connaît la puissance de cette technique pour observer les lacunes et leurs petits agglomérats (bllacunes, trilacunes, etc...). On a pu grlce à elle montrer que la lacune migre dans le fer a 220 < et non a 450 K, le stade observé a cette dernière température étant attribué à un piégeage par le carbone. Par ailleurs, des expériences couplées résistivité-positons ont donné des indications précises sur les lacunes (taux de piégeage spécifique, agglomération des monolacunes) dans divers métaux trempés ou Irradiés cornue Ag et Mg. Toujours dans le domaine des défauts ponctuels, une orientation fructueuse concerne les alliages cristallins concentrés. Pour cela, on a développé une approche basée sur l'étude de l'ordre â courte distance (0C0) et de la cinétique de son évolution en tant que moyen d'investigation des mouvements d'atomes dont les alliages sont le siège. Les techniques de détermination directe, par diffraction, de l'oco n'offrant pas la sens.ji- 11 té requise, nous avons fait appel à d'autres méthodes connues, mais peu exploitées : trmnage mécanique associé a 1'ordre directionnel de type anélastlque, mesures d'anlsotrople magnétique Induite, expériences combinées de trempe et de résistivité électrique & basse température. Des appareils très performants ont été construits ; certains fonctionnent en ligne avec un accélérateur Van de Graaff. Les méthodes précitées offrent toutes une grande sensibilité : des concentrations de lacunes ou d'auto-inte^-stltiels de l'ordre de la partie par milliard sont accessibles a l'analyse.

15 Les résultats récents concernent les alliages hors d'équilibre co e les alliages cristallins à dénixtion, tels que AuNi, étudiés en phase a, mis?n condition métastable, c'est-à-dire dans le domine situé en dessous de la lacune de sensibilité : on a pu obtenir expérimentalement les grandeurs caractérisant la formation et la migration des lacunes. CktAckewii - ORF-S/Section de Physique du Solide : E. BALANZAT (CEA). W. CKAMBRON (CEA), J. HILLAIRET (CEA), J. LAUZIER (INPG), C. MINIER (USMG), P. MOSER (CEA), J. VERDONE (USMG). II. DISLOCATIONS ET INTERACTIONS AVEC LES DEFAUTS PONCTUELS L'étude des dislocations se poursuit sous plusieurs aspects. Après avoir identifié dans le cuivre, grlce a des expériences de microscope électronique couplées a des mesures de frottement interne, les types de dislocation responsables des différents pics de Bordoni, l'objectif est maintenant de caractériser les mouvements des décrochements géométriques a très basse température, grâce à un nouveau cryostat fonctionnant a partir de 0,5 K. Ce même appareillage permettra d'étudier les stages d'ancrage des dislocations depuis 0,5 K et de vérifier la mobilité de l'interstitiel en dessous de 4 K dans certains cubiques centrés et hexagonaux. L'interaction dislocations-défauts ponctuels a été étudiée dans le fer irradié contenant de l'hydrogène en solution. Dans le cuivre, l'argent et le magnésium, la stabilité des auto-interstitiels et des lacunes sur les différents types de dislocations a été précisée. La migration des interstitiels est plus difficile que dans le cristal parfait. Des phénomènes de relaxation liés à une interaction entre auto-interstitiels et décrochements géométriques ont été observés vers K dans le magnésium (voir note scientifique). Enfin, le "peaking effect" a été pour la première fois observé dans une solution hexagonale, toujours dans Mg. Par ailleurs, la structure du coeur des dislocations, et des joints de grain, dans les métaux et alliages, a pu être abordée grfce a la production de bicristaux de flexion et è l'acquisition d'un microscope électronique performant, le JEOL 200 CX. Dans le titane, les images montrent que le coeur des dislocations coin de vecteur de Burgers b * 1/3 1120] est étendu sur une distance de 12 A. Une valeur de l'énergie de parité dans le plan prismatique en a été déduite (150ergs/cm*). Un Joint de flexion l «41 de désorfentatlon a été observé dans un bichstal de molybdène. Ce Joint est situé dans une zone de désorientatlon intermédiaire entre les sous-joints et les Joints de grand angle. Le Joint observé s'écarte de la coïncidence exacte t * 41. Il en résulte une structure de marches réparties de façon a peu près périodique, ce qui entraîne une déviation du plan de Joint par rapport è la position symétrique. Cette géométrie et la répartition des différents vecteur de Burgers sont en très bon accord avec la description obtenue a l'aide de la théorie du réseau 0 de Bollumann. ChtAçkttMA ORF-G/Section de Physique du Sol.de : A. 80URRET (CEA), A de CRECY (CEA), J. LAUZIER (INPG), C. MINIER (USMG), P. MOSER (CEA), J.M. PÉNISS0N (CEA), A. RENAULT (CEA) En collaboration avec : - University of Mining and Metallurgy, Cracovie, Pologne (L.*. MAGALAS).

16 SEMI-CONDUCTEURS Les recherches du Départaient dans le domaine ces semi-conducteurs sont menées conjointement dans les Sections de Résonance Hagnétique et de Physique du Solide. Elles sont marquées par les possibilités d'application de ces différents matériaux puisque soit elles concernent des matériaux en cours de développement (silicium amorphe et semi-conducteurs II-VI : ZnO, ZnTe, CdTe, CdS), soit elles s'appliquent a un matériau industriellement utilisé (silicium et germanium cristallin}, mais pour lequel subsistent encore de nombreuses zones d'ombre. Les moyens d'étude appliqués à ces différents matériaux sont : 1/ des techniques spectroscopiques d'investigation des propriétés optiques, électriques, magnétiques des défauts : - résonance paramagnétique électronique (RPE) ; - détection optique de la résonance magnétique (RMDO) ; - spectroscopic de luminescence et spectroscopic d'excitation ; - spectroscopic d'admittance ; - absorption infrarouge. V des techniques structurales : microscopic électronique à haute résolution ; microscopie à balayage. I. SILICIUM AMORPHE Les études sur le silicium amorphe ont été menées en collaboration étroite avec le LETI*. Un problème central concernant ce matériau est de savoir quelle est 1'Influence du désordre de la structure atomique sur les propriétés des porteurs (degré de localisation - couplage avec les phonons longueur de diffusion - mode de recombinaison). Pour aborder ce problème, on a effectué une étude approfondie de la photoluminescence qui est observée dans Tes échantillons intrinsèques à faible densité de défauts et qui correspond au mécanisme de recombinaison prédominant des porteurs a basse température. Ceci a permis de faire une caractérlsatlon très complète des états intrinsèques de queue de bande qui, dans 1e modèle d'anderson-mott, proviennent du désordre et contraient la mobilité des porteurs. Deux faits importants sont dégagés : 1/ Les états radiatifs sont des états de queue de bande correspondant à des minima locaux d'éntrg1e. Ces états sont relativement délocalisés (12-20 A) et les interactions électron-phonon sont faibles. Les positions et 1a forme de la raie de luminescence sont entièrement expliquées par la distribution en énergie des états radiatifs dans les queues de bande. * Laboratoire d'electronique et de Technologie de l'informatique au CEN/Grenoble

17 Il La recomb irai son se fait par annihilation d'un électron et d'un trou suivant un mécanisme "paire distante" analogue au mécanisme de recombinaison de paires Donneur Accepteur (DA), bien connu dans les semi-conducteurs cristallins. Ce processus implique une diffusion relativement importante (> 100 A) et un brassage des porteurs avant piégeage. Il est a 1"origine de la large distribution des temps de vie observée pour la luminescence. Il faut remarquer que ces conclusions vont a l'encontre de la théorie polaronique des queues de bande et qu'elles minimisent le rôle des recombinaisons gémellaires dans ce matériau. Les expériences de RMDO coiifirment les études de photoluminescence, en montrant de façon directe que la recombinaison n'est pas gémellaire. Elles renseignent sur les mécanismes de courtcircuit de la luminescence et apportent la preuve du rôle joué par la liaison cassée dans les; mécanismes non radiatifs. Un phénomène inattendu est mis en évidence et reste à expliquer : les états radiatifs de queue de bande ont un spectre de résonance différent du spectre qui est observé par SPE classique sous excitation lumineuse. Chznditwu DRF-G/Section de R sonance Magnétique : A. HERVE (CEA), F. S0ULITR0P (LETI/NCE). II. RECRISTALLISATION DE SILICIUM AMORPHE A L'AIDE DE FAISCEAUX D'ENERGIE Les recuits par faisceau d'énergie permettent d'effectuer des traitements de surface dans des domaines de temps et de température qui ne sont pas accessibles par les techniques de recuit thermique classique. Deux types d'appareillages expérimentaux ont été développés : faisceaux puisés ou faisceaux continus balayés. Ces deux dispositifs ont été appliqués à l'étude de la recristallisation du silicium, qu'il ait été amorphisé par une implantation ionique préalable, ou directement obtenu en couche mince déposée sur du vérrt. Oes transistors MOS, réalisés sur le matériau recuit, ont démontré la qualité de celui-ci. Cietcneu/u - ORF-G/Section de Physique du Solide : A. 30NTEMPS (USMB), E. LIGEON (CEA), J. FONTENILLE (CEA). En collaboration avec : - C.S.I.R., Université de Pretoria, Afrique du Sud (H.J. SMITH). III. STRUCTURE DU COEUR DES DEFAUTS DANS LE GERMANIUM ET LE SILICIUM La connaissance de la structure exacte du coeur des défauts cristallins dans les semi-conducteurs est de première importance pour l'étude de leurs propriétés électroniques. La,1croscop1e électronique à haute résolution a été utilisée pour visualiser les arrangements des colonnes atomiques autour et au coeur de ces défauts. Les échantillons observés étaient des blchstaux et ont été fabriqués par CRISTALTEC (LETI-CENG). Les orientations des cristaux et le plan des Joints ont été choisis de façon à pouvoir observer des dislocations isolées (dans des sous-joints d'angle très faible) et des Joints de plus grand angle (principalement en position de macle). 'a structure du coeur d'un certain nombre de dislocations et l'énergie des joints de faible désorlentation ont ainsi ete ootenues. Hour les joints ae grand angle les motifs de basa de 1a

18 construction atomique ont été observés. Par ailleurs, il a été montré que la plupart des dislocations natives d'un cristal brut de tirage Czochralsky sont décorées par une précipitation très particulière. Le précipité est homogène tout le long de la dislocation, sa taille varie beaiccup avec le vecteur de 3urgers et, dars les cas où elle est faible, cette précipitation gêne c-'sidérablement pour la définition du ccetr. L'analyse chimique du précipité (de très faible taille : 30 A de diamètre au maximum) soit par émission X, soit par pertes d'énergie d'électrons a été rendue possible par l'emploi du STEM (collaboration avec l'ifp-rueil et avec le Laboratoire de Physique du Solide - Orsay). L'existence d'une phase de SiO z (coesite) a été ainsi démontrée ; cette observation est importante pour la compréhension de la précipitation de l'oxygène et de l'effet "getter" bien connu des technologues : 1 ' introduction de défauts draine hors de la zone active du matériau des impuretés nocives. CkeAchtwu - DRF-G/Section de Physique du Solide : A. BOURRET (CEA), A. de CRECY (CEA), J. 0ESSEAUX-THI8AULT (CMS), A. RENAULT (CEA), C. O'ANTERROCHES (CNET). IV. LES SEMI-CONDUCTEURS II-VI InTe Le travail sur ce matériau s'achève. La description précise d'un grand nombre de centres de défauts et d'impuretés a pu être faite. Les centres complexes étudiés en dernier Heu c1 T e "C <1 7 n > u n donneur profond, et r --- un accepteur double, permettent de préciser quelque peu les problèmes de Tautocompensation dans ce matériau : les donneurs s'associent aisément avec différents défauts ou impuretés résiduelles, des accepteurs parasites potentiels tels le silicium subsistent dans le matériau. Ceci explique largement les difficultés rencontrées dans la conversion de type et montre le role toujours déterminant de la pureté du matériau. DRF-G/Section de Résonance Magnétique : R.T. COX (CNRS), 0. GALLAND (CEA). CdTe Il s'agit la d'une étude en pleine maturité pour laquelle les principaux accepteurs ont été clairement identifiés (L1, Na, Cu, Ag, Au). La spectroscopic des différentes raies a été précisée par effet Zeeman. La nature chimique des accepteurs résiduels ayant été clairement établie (cuivre et lithlun), 11 était nécessaire de déterminer la localisation des différentes impuretés a la fin de la croissance. Ceci a été fait par mlcroscopie è balayage en mode eathodo luminescence qui a permis très élégamment de montrer que les différentes impuretés étaient relâchées par les défauts du matériau (précipités sous joints) durant les traitements thermiques. Che/tchflw - DRF-G/Sect1on de Physique du Solide : N. MAGNEA (CEA), G. MILCHBERG (USMS),. MCL'/A (CEA), J.L. PAUTRAT (CEA), K. SAMNADAYAR (USMG).

19 V. ETUDES DE RESONANCE MAGNETIQUE DETECTEE OPTIQUEMENT (RMDO) La technique de détection optique de la résonance magnétique "en temps résolu", mise au point en 1981, a été utilisée initial estent pour étudier les centres luminescents a teaps de vie long. Ceci a permis l'observation de la structure hyperfine de donneurs et a mis en évidence des dédoublements de raie dus à la basse symétrie de certains défauts accepteurs profonds, informations très utiles pour identifier ces centres. En 1982, cette technique a été améliorée pour travailler aux teaps de retard plus courts. Elle a été utilisée ensuite pour étudier systématiquement l'évolution sur une gamme de temps de 10*' a 10" 1 sec, des propriétés magnétiques de systèmes luminescents de centres donneurs et accepteurs dans les composés ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe et CdS. Pour les paires donneur-accepteur a temps de vie radiative court (séparations 0-A petites), les transitions de résonance sont dédoublées par les interactions spin-spin ou j-j entre donneur et accepteur. Dans le cas des paires D-A dans CdS, il a été possible de mesurer directement la variation de l'interaction j-j en 9» fonction de la séparation donneur-accepteur entre 40 A et 80 A. La possibilité d'étudier des systèmes à temps de vie court a permis d'obtenir, pour la première fois dans un semi-conducteur a gap direct, des spectres dermdo d'excitons dans leur état triplet (excitons piégés par des complexes d'impuretés dans CdS). ChatcJteu/ta - DOT-G/Section de Résonance Magnétique : R.T. C(W (CNRS), A. HERVE (CEA). J.J. DAVIES (CEA/CTE*) Université de Hull, Grande Bretagne VI. PERSPECTIVES Les nombreuses études décrites ci-dessus ne peuvent être oenées à bien que grâce a de multiples collaborations avec différents laboratoires de recherche appliquée ou industrielle. C'est particullèrenent vrai en ce qui concerne les matériaux étudiés qui sont tous produits à l'extérieur du Département. L'année 1982 a notamment été remarquée par un effort de regroupement des études menées au sein de la Section de Physique du Solide. Ainsi, un Groupe Physique du Silicium a été créé, chargé de coordonner et d'animer les études sur ce matériau qui devrait devenir progressivement un thème dominant, bien que non exclusif, dans cette section.

20 AMORPHES METALLIQUES On sait que? développement extraordinaire a pris ces dernières années l'étude de ces Matériaux. Ils présentent en effet un intérêt technologique important tout en posant sur le plan fondamental de nombreuses questions, nécessitant l'introduction et l'utilisation de concepts originaux tels que la notion de volume libre ou celle d'état doublement «étastable : par rapport 1 l'état cristallin, mais aussi par rapport a l'état amorphe "idéal". La Section de Physique du Solide a commencé par se doter des deux appareillages de base permettant l'obtention d'aisrphes métalliques : pulvérisation cathodique et trempe sur rouleau. Ces techniques sont maintenant tout a fait opérationnelles et on obtient des échantillons de taille telle qu'ils soient utilisables pour un maximum de techniques d'investigation. La but poursuivi est de comparer les propriétés des amorphes obtenus par l'une et l'autre méthodes. Nous fabriquons les alliages dont nous avons besoin, nais nous répondons aussi dans la mesure du possible aux oemanees d'équipes extérieures. Une fois les échantillons obtenus, il importe d'analyser leur structure. Expérimentalement, ce sont les mesures de rayons À et de neutrons qui fournissent l'outil de base de cette étude, à -savoir les fonctions de distribution radiale de paires d'atomes. Mais d'autres mesures, comme l'effet MBssbauer, la résistivité ou le frottement interne, complètent les rayons X. Il reste ensuite à proposer des modèles qui permettent de préciser la position des atomes et de rendre compte des propriétés physiques observées. Ces modèles ne pourraient pas être construits sans les techniques de simulation sur ordinateur, qui s'avèrent être Indispensables dans ce genre d'études. On a pu ainsi montrer qu'un empilement au hasard de sphères, après relaxation dans un potentiel de type Lennard-Jones décrivait bien, et de façon reproductible, toute une classe d'amorphes métalliques, et nous pouvons donner une description microscopique précise de la structure correspondante. D'ores et déjà différentes propriétés peuvent être interprétées dans ce modèle, comme l'effet MBssbauer ou les constantes élastiques, ou encore le mécanisme de diffusion "interstitielle" dans un amorphe. En outre, apparaît clairement la nécessité de définir la notion de "défauts" dans une structure désordonnée. La relaxation structurale et la mobilité atomique constituent l'autre aspect des études menées sur les amorphes métalliques. La relaxation structurale recouvre tous les phénomènes de réorganisation atomique aux températures inférieures à la température de cristallisation. Nous le suivons soit par des méthodes directes (rayons X, dllatométrfe), soit par des méthodes plus indirectes, mis dont la grande sensibilité permet de suivre avec précision la cinétique d'évolution de la structure (résistivité électrique, module élastique, traînage magnétique, frottement intérieur, anisotropic magnétique). Les alliages amorphes étudiés jusqu'à maintenant appartiennent a deux classes : "métal - métalloïde" du type (Fe,N1,Co)«o(8,P,C,S1)i 0 et les "métal-métal" comme Cu, Ir, N1Zr, CuTI, etc.

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