Thème 2 – Fonctionnalisation des surfaces

Responsables de thème

Ludovic Thilly (ludovic.thilly@univ-poitiers.fr / +33 5 49 49 68 31 )
Jérémie Drévillon  (jeremie.drevillon@univ-poitiers.fr / +33 5 49 45 35 42  )


La fonctionnalisation d’une surface a pour objectif d’améliorer son domaine d’application et / ou de lui ajouter de nouvelles propriétés, via un processus d’ingénierie «by-design». Ici, les techniques de fonctionnalisation reposent sur la structuration fine de la surface (ou «patterning» au sens large) et certaines d’entre elles ont été étudiées lors du Labex I . Elles incluent la «boîte à outils» FIB mais également d’autres types de méthodes de modification de surface, tels que le dépôt physique en phase vapeur de couches minces nanostructurées et de revêtements multicouches, la pulvérisation ionique à faisceau large de surfaces solides, l’implantation d’ions, et l’ingénierie nano-mécanique (reconstruction de surface, charges de traction et de compression etc.). Les nouvelles fonctions peuvent être optiques, électroniques, thermiques, tribologiques, catalytiques, etc. et sont complémentaires aux propriétés étudiées dans les deux autres thèmes.

Les objectifs de ce sujet sont de surmonter certains des défis associés à la fonctionnalisation de surface: 1) la compréhension fondamentale des processus à l’origine de la structuration de surface, 2) l’impact de structures de surface spécifiques sur de nouvelles propriétés macroscopiques non étudiées dans les autres sujets, et 3) la stabilité des structures de surface pour des applications à long terme.

Ces défis nécessitent l’utilisation de techniques avancées permettant la caractérisation de surfaces multi-échelles, de l’échelle atomique (par exemple, TEM, AFM-STM, EELS, diffraction et diffusion des rayons X, etc.) à l’échelle macroscopique (y compris in situ et réelle). diagnostics en temps réel). La compréhension des processus de structuration de surface et de leur impact sur les propriétés fonctionnelles nécessite des approches à la fois expérimentales et théoriques, tandis que la stabilité de la structuration peut être évaluée par des techniques de métrologie spécifiques à petite échelle.

Là encore, s’appuyant sur la solide expertise développée au cours du Labex I, plusieurs exemples peuvent être donnés pour illustrer le type d’études qui pourraient être développées, sur la base de propositions émanant de la communauté :

  • Dans le domaine des fonctionnalités optiques et thermiques, les réseaux 1D et 2D ont été étudiés théoriquement et les applications expérimentales initiales se sont révélées prometteuses pour la conception de sources thermiques cohérentes et de dispositifs de refroidissement radiatif à hautes performances. Ensuite, les étapes consisteraient à optimiser les paramètres des réseaux par le biais d’une boucle de rétroaction numérique / expérimentale, mais aussi en développant de nouveaux réseaux bi-périodiques et / ou en utilisant de nouveaux matériaux en vrac (VO2, NiTi) ainsi que des revêtements multicouches.
  • La fine organisation atomique des surfaces trouve ses cas extrêmes sous la forme de matériaux 2D (graphène, silicène, MoS2, MXene…) présentant l’intérêt d’une épaisseur ultime de seulement quelques couches atomiques. Comprendre comment les reconstructions atomiques ou les matériaux 2D modifient, voire contrôlent, leurs propriétés fonctionnelles offrirait des percées technologiques dans divers domaines tels que la nanoélectronique, le photovoltaïque ou la catalyse.
  • Structurer / modeler de grandes surfaces pour réduire les frottements dans les applications industrielles avec une méthode moins chère et plus rapide est un travail prospectif difficile. Cela nécessite de modifier la forme de la surface pour obtenir un comportement de lubrification amélioré similaire à celui des matériaux plus durs et plus résistants, tels que les métaux hydrophiles. Une autre perspective intéressante serait d’obtenir un comportement de frottement anisotrope via un motif spécifique conduisant à un mélange de zones hydrophobes / hydrophiles à la surface.

D’autres études développées dans le cadre de ce thème pourraient porter sur l’identification des mécanismes fondamentaux impliqués dans la structuration / fonctionnalisation de surface elle-même (interaction ion-matière, transport de masse induit par le stress ou la chaleur, cinétique de croissance de nanoparticules et de couches minces, etc.). Ici, l’objectif général est de fournir de nouvelles informations qui seraient essentielles pour adapter la morphologie et les propriétés des surfaces solides à diverses applications ciblées (par exemple, transport, environnement, énergie ou secteur médical) non incluses dans les deux autres thèmes. Par exemple, de nouvelles stratégies pourraient émerger pour fabriquer des systèmes plasmo-mécaniques ou des dispositifs optoélectroniques, sur des substrats rigides ou flexibles, ce qui pourrait être très prometteur pour des applications telles que les (bio) capteurs et les détecteurs à hautes performances.

Enfin, la durabilité des surfaces fonctionnalisées doit être évaluée, dans des conditions de service représentatives, dont l’impact peut être chimique (frittage, oxydation, etc.) ou physique (transformation de phase, structuration, formation de contraintes et de délamination, etc.). L’identification des paramètres clés du vieillissement et des dommages implique une caractérisation expérimentale et une modélisation appropriée: cette étape est d’une importance capitale pour optimiser la fonctionnalisation de la surface, non seulement en fonction de la fonction, mais également de son caractère durable.