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Nanostructures et Rayonnement Synchrotron (NRS)

Publié le 28 novembre 2019
Présentation du NRS

Joël EYMERY

Biographie (English)
Équipe Nanostructures et Rayonnement Synchrotron (NRS)
CEA-Grenoble
17 avenue des Martyrs
38 054 Grenoble cedex 9
Tel. : 04 38 78 30 15
Fax : 04 38 78 51 97

Les activités scientifiques de l'équipe NRS (au sein du laboratoire MEM du CEA) se concentrent sur l'étude de nanostructures avec le rayonnement synchrotron. Elles contribuent aux objectifs scientifiques et technologiques du CEA et de la communauté Française, dans le cadre des très grandes infrastructures de recherche. Cela nécessite la mise en place d'équipements et des compétences scientifiques très spécifiques pour mener à bien des expériences de haut niveau de natures académiques ou applicatives.

Le laboratoire NRS utilise principalement des lignes de lumière de l’ESRF située à Grenoble pour effectuer ses recherches, mais aussi le synchrotron Français Soleil et d'autres synchrotrons européens et mondiaux. Le CNRS et le CEA ont construit et exploitent conjointement les lignes de lumière CRG Françaises à l'ESRF afin de proposer aux chercheurs français de puissants faisceaux de rayons X, des techniques de pointe et des outils d'analyse performants.

Cela permet également d'optimiser les ressources financières et le positionnement par rapport autres lignes de l'ESRF et de Soleil. Cette coordination conduit à une forte complémentarité entre les instruments et les thématiques scientifiques. Ainsi, nous développons principalement des expériences utilisant les hautes énergies de rayons X fournies par l’ESRF, i.e. au-delà de ce qui est accessible au synchrotron Soleil. Le laboratoire utilise trois instruments sur la ligne de lumière française CRG BM32-IF de l'ESRF, dont la construction, le développement et l’accueil des utilisateurs dépendent des membres du laboratoire.

Membres du NRS

Permanents
Xavier BIQUARD
Pascal HECQUET 
Gilles RENAUD
Christine REVENANT-BRIZARD 
Marie-Ingrid RICHARD
Odile ROBACH 
Samuel TARDIF
Olivier ULRICH

Non-Permanents
Maxime DUPRAZ
Benoît FORMET
Maciej JANKOWSKY
Ni LI
Pauline RONSEAUX

Activités
Les trois instruments disponibles sur la ligne BM32 permettent des études complémentaires concernant les surfaces et les interfaces de la matière condensée (éventuellement fortement enterrées), ainsi que l’analyse structurale et chimique des matériaux :
• le goniomètre INS2, récemment mis à niveau, fonctionne sous ultra-vide et permet d’effectuer des croissances cristallines sous faisceau pendant l’acquisition des données. Il utilise la diffraction des rayons X en incidence rasante et la diffusion aux petits angles.
• le goniomètre multi-technique GMT est dédié à l’étude des interfaces entre différents éléments ou des états de la matière. Il peut être équipé de fours, de cellules électrochimiques, de machines d'essais mécaniques et permet d’effectuer des expériences de diffusion et de diffraction operando.
• l'instrument µLaue est conçu pour mesurer la diffraction d’un faisceau blanc (i.e. multi-longueur d’onde) focalisé et submicronique (0,1-1 µm). Il permet d’obtenir des cartographies de l'orientation et du tenseur des déformations du réseau cristallin local de grains submicroniques dans des matériaux simples ou polycristallins.

Les études internes du laboratoire contribuent aux missions du CEA en recherche fondamentale et appliquée dans le cadre de trois programmes principaux : en recherche fondamentale en physique et en instrumentation associée, pour les technologies de l’information et de la communication et pour les nouvelles technologies de l’énergie. Nous participons également à la Plateforme de Nano Caractérisation (PFNC) du CEA Grenoble dans le domaine des rayons X.


Les trois instruments de la ligne Française BM32 CRG Française.

Exemples d'études en cours
• Physique des matériaux SOI (silicium sur isolant). Nous nous concentrons sur la compréhension de la physique sous-jacente aux processus technologiques associés à la réalisation de ces matériaux, à savoir le collage, l’implantation ionique et la fracture. Pour cela nous utilisons des techniques de diffraction/diffusion de rayons X durs ainsi que des expériences de laboratoire. Elles sont réalisées au sein du laboratoire commun du CEA-SOITEC.
• Matériaux électroniques et opto-électroniques : déformation et composition. Nous participons au développement de matériaux et de dispositifs semi-conducteurs avancés IV-IV (Si, Ge, Sn) et III-V nitrures (Ga, Al, In, N) en utilisant des techniques de pointes associées à des nano-faisceaux : e.g. la ptychographie, la diffraction cohérente ou en plein champ, l’excitation de la lumière par les rayons X, la fluorescence et la µ-diffraction Laue. Un accent tout particulier est mis sur des mesures operando.
• Étude in situ et operando de l’évolution structurelle de nanoparticules catalytiques dans leur environnement et en cours de la réaction en utilisant l’imagerie de diffraction cohérente de en condition de Bragg.
• Croissance de matériaux 1D et 2D sous faisceau de rayons X : structure et cinétique. Études in situ de la diffraction/diffusion des rayons X de nanomatériaux en cours de croissance avec des procédés d'évaporation physique ou chimique. Des études ont porté sur la croissance du graphène sur l’Ir, l’organisation des particules métalliques, de nanofils de Si-Ge et, plus récemment, sur la croissance de différents matériaux 2D à base de Te et de S.
• Phases cristallographiques et cinétique de matériaux pour les batteries et sol-gel avec le CEA IRIG et Liten afin d’étudier les mécanismes fondamentaux impliqués dans leurs évolutions structurelles operando.
• Matériaux II-VI pour détecteurs IR hautes performances. Études structurales et chimiques d’hétérostructures semi-conductrices dans des dispositifs avec les techniques µLaue et EXAFS.
• Simulation de surfaces vicinales modèles. Quantification des relations entre les énergies de surface et les contraintes en utilisant des potentiels empiriques dans le silicium et les métaux.

Principales collaborations externes
Partenaires industriels : SOITEC, SOFRADIR
Partenaires institutionnels : ANR Française ; Commission Européenne ; ESRF ; CEA : IRIG, Leti, Liten ; CNRS : Institut Néel, C2N ; Université de Leiden (Pays-Bas) ; NCSR Democritos (Grèce) ; MPIE Düsseldorf (Allemagne) ; Université technique de Lisbonne (Portugal).

Développements instrumentaux
Le laboratoire fait des efforts constants pour maintenir nos équipements au meilleur niveau en termes d'optique de ligne de faisceau afin d'accompagner la mise à niveau de l'ESRF (2020-), de détecteurs et d’instruments. Nous facilitons également le travail des utilisateurs pour effectuer l'analyse de données qui devient toujours plus lourde avec la généralisation de détecteurs 2D rapides ayant un grand nombre de pixels. Nous nous attachons aussi à mettre en œuvre les analyse de traitement de données sur des ordinateurs hautes performances. Cette tâche est effectuée en coordination avec la politique scientifique de l'ESRF et les normes Françaises et Européennes.

Liens connexes
Publications du laboratoire NRS
ESRF
Lignes de lumière French-CRG
Ligne de lumière BM32 française-CRG