LE CEMES. 50 ans de science autour de la Boule

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1 LE CEMES 50 ans science autour Boule par Jean-Pierre Launay Professeur émérite à l Université Paul Sabatier et à l Institut Universitaire France Ancien Directeur du Centre d Eboration Matériaux et d Etus Structurales (CEMESCNRS), Toulouse Le CEMES est le successeur du Laboratoire d Optique Electronique (LOE), fondé en 1957 par le professeur Gaston Dupouy. Inauguré par De Gaulle en 1958, dans un contexte développement volontariste Recherche, ce boratoire relevait alors un défi technologique : construire s microscopes électroniques à haute tension fonctionnant sous 1,2 Millions volts, puis plus tard 3 MV. La célèbre «Boule» du quartier Rangueil accueille toujours le très spectacuire générateur 1,2 MV dans son étage supérieur, mais aussi, à pce du En 1989, une évolution majeure fut transformation du LOE en CEMES, avec l arrivée d équipes chimistes, notamment molécuires. Désormais, le Laboratoire avait capacité d éborer ses objets d étus, par les procédés chimie, mais aussi par s méthos physiques (impntation ionique, pulvérisation cathodique, pyrolyse d aérosols, etc ). Le boratoire, qui a fêté ses 50 ans en 2009, se positionne dans le domaine s Nanosciences et Nanomatériaux, là où les disciplines traditionnelles que sont Physique et Chimie se confonnt. Des développements importants ont été récemment rendus possibles par s financements CPER (Contrats Pn Etat Région) où interviennent le CNRS et les collectivités locales, ainsi que par l ai Communauté Européenne. Une plongée vers matière La Figure montre les échelles distances s objets et s techniques, puis le domaine directement visible jusqu au nanomètre et même le picomètre Microscope historique, s microscopes mornes, commerciaux ou expérimentaux, au Rez Chaussée 1

2 L observation matière débute par l utilisation du microscope optique. Mais dimension s plus petits détails que l on peut percevoir est l ordre granur longueur d on du rayonnement soit 400 nm pour limite basse du domaine visible. Pour aller plus bas, il faut utiliser s rayonnements plus courte longueur d on. Or puis Louis Broglie, 1924, on sait que (très curieusement) à une particule matérielle en mouvement, comme un électron, on peut associer une on. Sa longueur d on est donnée par formule λ= h / mv, où h est constante Pnck, m masse et v vitesse. Et les électrons, ces petites particules qui transportent une charge électrique (les «grains d électricité») peuvent être accélérées par s champs électriques intenses, donc s hautes tensions. Un calcul simple, avec formule plus haut, montre que pour une tension d accélération Volts (300 kv), vitesse est telle que longueur d on associée tombe à 2 pm, soit un gain considérable par rapport à l optique, mais qu on ne peut pas exploiter en totalité (voir plus bas). Le microscope électronique, apparu en Allemagne en 1931, est donc construit comme un microscope optique, avec s séries lentilles pour illuminer l objet puis fournir une image agrandie. Il y a cependant s différences technologiques. Ainsi source «lumière» est en haut et l observation se fait en bas. En outre, les électrons ne pouvant se propager facilement dans l air, tout l appareilge est enfermé dans une colonne où règne un vi poussé. Dans l immédiat, signalons qu avec cette lumière très particulière que constitue un faisceau d électrons, on peut reproduire les expériences l optique cssique, telles que les interférences, ou l holographie. On côtoie ainsi quotidiennement fameuse dualité oncorpuscule, fonment mécanique quantique La microscopie électronique appartient à catégorie s méthos «à champ lointain», ainsi appelées car l image se forme loin l objet. Mais il existe aussi s méthos «à champ proche». A partir 1981 a été mis au point le microscope à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscope, STM). Il met en œuvre une pointe métallique ultrafine (idéalement terminée par un seul atome), positionnée avec une extrême précision au voisinage d une surface métallique, par s actionneurs piézoélectriques. Lorsque distance entre les ux conducteurs métalliques est inférieure à environ 1 nm, donc avant le contact proprement dit, un courant commence à passer. Il s agit du courant tunnel, mettant en jeu l effet du même nom. Cette dénomination vient du schéma d énergie où l énergie est portée en fonction distance : les électrons n ayant pas assez d énergie pour être extrait du métal et traverser l espace vi entre les ux conducteurs, tout se passe comme si ils passaient dans un tunnel sous colline d énergie. Le courant tunnel étant extrêmement sensible à distance, il constitue un indicateur très précis position pointe. Un dispositif d asservissement électronique complète le dispositif et permet le dépcement pointe à altitu constante, d où possibilité réaliser s images. Ainsi le microscope à effet tunnel peut être considéré comme un «palpeur» ultrasensible, qui touche directement surface, et dont les performances ne sont plus limitées par le problème longueur d on. En outre, à partir 1991, il a été montré que pointe du STM constituait un remarquable outil fabrication, capable tirer, pousser, donc repositionner un objet tel qu un atome ou une molécule. Avec ces outils performants d observation et même d intervention, le CEMES abor l étu d une rge gamme d objets et phénomènes. Dislocations et psticité s métaux Un premier exemple d applications est l observation «défauts» particuliers dans les métaux, appelés dislocations. Il s agit discontinuités dans l arrangement régulier s atomes, et ces dislocations favorisent psticité s métaux, c est-à-dire leur aptitu à se déformer sans casser. Ainsi, contrairement à ce que suggère l étymologie du mot, les «défauts» ont un effet bénéfique sur les propriétés. L observation s dislocations est une spécificité reconnue du Laboratoire, notamment par s méthos «in situ» dans 2

3 lesquelles on soumet le matériau observé à une contrainte (compression, étirement, variation température) à l intérieur du microscope. On assiste ainsi au riche comportement s dislocations : leur naissance, leur dépcement, leurs transformations et parfois leur annihition. Ces étus permettent bien comprendre les mécanismes psticité, ce qui est particulièrement important dans le cas s alliages pour l aéronautique. La course aux performances Comme dit plus haut, le microscope électronique est construit sur le même principe général que le microscope optique, avec l avantage d utiliser un rayonnement bien plus courte longueur d on. Malheureusement les lentilles électroniques ne peuvent pas être d aussi bonne qualité que les lentilles optiques, et sont affectées défauts importants dont l aberration sphéricité : les rayons arrivant loin l axe lentille ne convergent pas exactement au même endroit que ceux arrivant près l axe, ce qui produit s images floues. Ce défaut n a pu être corrigé (et encore pas totalement) qu à partir 1998, et le CEMES a été le premier boratoire français à acquérir un microscope corrigé. La résolution est alors passée en ssous l Ångström (1 Å = 0,1 nm), ce qui permet distinguer les atomes. En fait, le matériau ayant une certaine épaisseur, ce que l on voit, ce sont plutôt les colonnes atomiques, et ceci peut être particulièrement utile pour caractériser certains matériaux pour l électronique. Avec le microscope à effet tunnel (STM), on peut aussi voir s atomes, déposés sur une surface, mais les recherches au CEMES portent surtout sur s molécules, ces assembges d atomes trop fragiles pour supporter le rayonnement d un microscope électronique. On peut même voir les modifications structure d une molécule lorsqu on lui ajoute ou retire un électron. Ceci revient indirectement à «voir un électron», alors que cette particule est trop petite et trop mobile pour pouvoir être localisée directement. Enfin, par microscopie électronique, on peut maintenant accér à l immatériel : par s techniques d holographie mettant en jeu les interférences s ons électroniques, on peut cartographier ce qui est intrinsèquement invisible, les champs électriques ou magnétiques. Ce type d étu est précieux pour conception matériaux ou dispositifs électroniques, ou supports pour l enregistrement magnétique. Le renouveau lumière Depuis 2007, le CEMES intègre s équipes spécialisées en spectroscopie Ramanser. La spectroscopie consiste à faire interagir lumière (issue d un ser) avec matière et analyser les modifications lumière qui en résultent, du fait par exemple mise en vibration s atomes matière (effet Raman). Mais puis quelques années, s est développé le domaine «Psmonique». Ici, ce sont les électrons à surface d un métal qui entrent en vibration, générant ce que l on appelle s «psmons» et ces osciltions se propagent pour aboutir à ré-émission lumière à un autre endroit. Ce phénomène est particulièrement utile pour «canaliser» 3

4 lumière, et donc l énergie à une échelle inférieure à celle longueur d on. Ainsi, alors que les lois l optique interdisent focaliser suffisamment un faisceau lumineux pour l amener à taille d une molécule ( longueur d on d un rayonnement visible est environ 1000 fois plus gran que taille d une molécule), on peut par cette métho indirecte amener l énergie lumineuse à un endroit déterminé en faisant cheminer dans s sortes guis d on. Ceci rappelle l utilisation s «tubes acoustiques» sur les anciens navires. La psmonique est un domaine en plein essor. Par exemple, dans s chaines nanoparticules d or excitées à une extrémité, on peut suivre et contrôler progression lumière et température manière très fine, ce qui pourrait avoir s applications médicales (procédés d hyperthermie pour détruire s tumeurs). Mais sur le pn culturel, psmonique permet aussi comprendre les propriétés extraordinaires certains matériaux du patrimoine. Ainsi certaines poteries égyptiennes pério Fatimi (XIIe siècle) sont recouvertes d un lustre qui présente une couleur très différente selon qu on l observe en transmission ou en réflexion. Le lustre est constitué nanoparticules d argent disposées en couches (ceci obtenu par s techniques cuisson extrêmement éborées), et ces jeux lumière remarquables résultent d effets psmoniques à surface s nanoparticules ainsi que d interférences entre les différences couches. On ne peut qu être admiratif vant le savoir-faire (empirique!) qui a été ainsi développé au cours s siècles chimie synthèse. Par cette rnière métho, on ébore grosses molécules complexes, que l on peut aussi appeler nanoobjets, dont forme et le comportement rappellent ceux d objets macroscopiques. Il peut s agir d éléments mécaniques (roues, axes, engrenages, moteurs, ) ou électroniques (fils, dios, éléments mémoire, transistors, ) Nous nous limiterons ici aux éléments mécaniques. Ainsi le boratoire a développé s séries «moteurs rotatifs» constitués par s molécules en forme «tabouret piano». Les trois pieds sont stinés à ancrer partie inférieure (stator) sur une surface, tandis que partie supérieure (rotor) à 5 bras est libre tourner autour d un axe vertical. Il s agit d un gros travail synthèse qui a permis bien maitriser géométrie du système. Les étus actuelles, réalisées avec un microscope à effet tunnel, consistent à observer rotation (pour l instant spontanée) du rotor, et, mieux, à essayer contrôler, l énergie étant alors apportée par pointe du STM. Façonner matière Façonner matière à l échelle du nanomètre, créer s objets individuels taille nanométrique, tout ce est venu possible par une association étroite physique et Mais un objectif plus ambitieux se ssine déjà : créer un véhicule (nanovoiture), constitué d un châssis et 4 roues, et essayer le mettre en mouvement. Le défi est considérable, car se pose question 4

5 l apport d énergie et du contrôle du mouvement. A titre ludique, mais surtout pour stimuler compétition/colboration internationale, une course «moléculesvoitures» est organisée à partir fin Sur une «piste» constituée par une surface d or très propres parsemée d obstacles atomiques, les véhicules déposés vront effectuer un trajet défini mais sans intervention directe et permanente l expérimentateur. est organisé autour d un tube central avec un chariot mobile assurant le transport entre les différents postes. On trouve ainsi un bâti d épitaxie, une technique permettant préparer les supports très bien définis, s ateliers dépôts d électros par métallisation, un spectromètre masse qui permet sublimer sélectivement s molécules triées en masse, et bien entendu s ateliers caractérisation basés sur les techniques champ proche (STM, mais aussi Microscope à Force Atomique, AFM). Ce dispositif est opérationnel puis 2 ans les premiers résultats montrent que l on peut effectivement déposer s molécules ionisées manière contrôlée, les caractériser et même les dépcer une à une pour créer s motifs particuliers. L adressage molécuire Pour tirer pleinement part s possibilités chimie, il faut être capable d interfacer les molécules (nano-objets) avec l extérieur. Le défi est communiquer avec une molécule unique, toujours même, lui amener l énergie, obtenir s informations sur son comportement. Il faut pour ce éborer s structures très fines à surface d un support. Ce problème est abordé au CEMES par une technologie nanofabrication en ultra-vi. En effet, par rapport aux solutions traditionnelles mettant en jeu s salles bnches, l ultra vi (Ultra High Vacuum, UHV) assure le meilleur contrôle possible dans fabrication d un objet avec une précision atomique. Mais les contraintes technologiques sont importantes : l UltraVi est un vi très poussé (10-11 millibars pour comparaison, à l altitu station spatiale, le «vi» n est que 10-7 millibars-) et l échantillon ne doit à aucun moment être en contact avec l air sous peine contamination. Nous avons ainsi éboré une sorte d Usine en Ultra-vi constituée par une série d enceintes et postes travail interconnectés. L ensemble, 7 m long, Conclusion Depuis sa création, le boratoire «Boule» a ainsi profondément évolué dans le sens d une gran diversification, mais avec toujours préoccupation comprendre et maitriser les phénomènes à très petite échelle. La pce manque ici pour développer tous les sujets, comme mise au point nouveaux matériaux à base carbone et notamment «nanotubes», ou l étu s propriétés extraordinaires s cristaux liquis, ces composés intermédiaires entre l état soli et l état liqui, ou encore mise au point procédés fabrications «nanopoudres». En outre, nouveaux projets apparaissent en permanence, comme celui coupler ser et microscopie électronique, afin combiner résolution spatiale avec résolution temporelle. Gageons que le CEMES va continuer à évoluer et n a pas fini délivrer une riche moisson résultats. 5