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Nouveaux alliages et tirages de monocristaux

Plus d’une centaine de phases quasicristallines ont déjà été découvertes ainsi qu’un grand nombre de phases périodiques à grande maille. Cette liste s’agrandit continuellement et l’étude des diagrammes de phases reste une source de découverte largement inexploitée.

Des échantillons peuvent être synthétisés par fusion à l’arc, induction, frittage ou trempe sur roue puis caractérisés par analyse thermique différentielle, diffraction des rayons X, ou microscopies électroniques et optiques.

Dans les cas favorables, il est possible de faire croître des monocristaux de taille centimétrique par tirage Czochralski ou sous flux.

Structure et croissance d'alliages métalliques complexes


Surfaces d'alliages métalliques complexes

La détermination des structures atomique et électronique des surfaces est essentielle pour comprendre et optimiser les propriétés de ces intermétalliques.

Nous avons développé une expertise reconnue internationalement couplant à la fois des méthodes expérimentales de sciences des surfaces et des calculs ab initio utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité.

Cela nous permet de déterminer à l’échelle atomique la structure des surfaces et d’étudier les mécanismes de sélection de plans de surface, le rôle des liaisons chimiques, les effets possibles de ségrégation, etc… qui mènent à une structure et une réactivité de surface particulière.

Figure de gauche : image STM d'une surface quasicristalline.
Figure de droite : isosurfaces de différence de densité de charge pour de l'hydrogène atomique absorbé sur la surface Al13Co4 (100).

 

Films minces

Les surfaces d’alliages métalliques complexes sont utilisées comme substrat pour la croissance de films métalliques ultraminces.

Cela permet d’étudier comment ces matériaux complexes forment des interfaces avec d’autres plus conventionnels. Les propriétés de mouillage et de frottement dépendent également de la structure interfaciale.

Dans certains cas, il est possible d’induire certains éléments de symétrie du substrat dans le film et obtenir ainsi en surface des matériaux nouveaux, comme du plomb quasipériodique.

Figure de gauche : image STM d'un film de Bi sur la surface Al13Co4 (100).
Figure de droite : image STM d’un film de Pb quasipériodique.

 

Alliages de surfaces

L’interface entre un film et un substrat métallique peut donner lieu à de l’interdiffusion et à la formation de composés intermétalliques dans la zone proche de la surface. C’est ce qu’on appelle un alliage de surface.

Ce phénomène est à l’origine des propriétés des nanoparticules métalliques supportées sur des oxydes utilisées en catalyse hétérogène, attribuées à la formation de composés intermétalliques après réduction de l’oxyde dans les conditions d’usage.

Nous reproduisons ces phénomènes dans les conditions idéales de l’ultravide pour déterminer les conditions de formation et la structure de ces phases de surface.

Figure de gauche : cliché LEED d’un alliage de surface Al-Cu formé sur la surface Cu (111).
Figure de droite : images STM simulées d’une surface d’alliage In3Pd7.

 

Molécules sur surfaces

La fonctionnalisation des surfaces par des films moléculaires est un champ de recherche actif pour le développement de nouveaux dispositifs en électronique moléculaire et pour le photovoltaïque organique.

Les propriétés électroniques et optiques des molécules dépendent fortement de la façon dont ces molécules sont adsorbées sur la surface.

Nous étudions la croissance et la structure de films moléculaires auto-organisés sur des surfaces métalliques ainsi que les géométries d’adsorption par une approche combinant expériences et simulations numériques.

Figure : image STM d’un film moléculaire quasipériodique.



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Matériaux composites pour l'impression 3D

La fabrication additive désigne un ensemble de techniques permettant de réaliser très rapidement des pièces fonctionnelles sans contrainte de forme à partir d’un modèle CAO.

Les pièces sont réalisées couche par couche, le plus souvent par fusion sélective de poudres qui peuvent être des polymères, des particules métalliques, céramiques ou bien encore des composites. En partenariat avec un industriel de la Région Lorraine et le Centre de Compétences matériaux et Procédés Additifs de l’Institut Jean Lamour, nous avons développé plusieurs types de matériaux composites adaptés à ces techniques d’impression 3D.

L’utilisation de particules quasicristallines permet d’obtenir de meilleures propriétés fonctionnelles. Cette application est commercialisée sous le nom de PAQ®

Photo : répartiteur d’admission d’air directement fonctionnel réalisé par frittage laser sélectif à partir d’un matériau composite polyamide renforcé par des particules quasicristallines.


Mouillage, frottement et complexité structurale

Les propriétés remarquables de mouillage et de frottement des alliages métalliques complexes ont été mises en évidence assez tôt après la découverte des quasicristaux par les travaux de l’équipe et sont au cœur de certaines applications de ces matériaux.

Les résultats mettent en évidence des corrélations inattendues entre ces propriétés mesurées, la densité d’états électroniques et un indice de complexité caractérisant les intermétalliques complexes dépendant du nombre d’atomes contenus dans la maille.

 

 

Figure : frottement observé sous vide secondaire entre un antagoniste en acier dur 100C6 et une série de composés à base d’aluminium en fonction du nombre d’électrons de valence du composé. Le carré le plus haut à gauche représente le métal aluminium alors que les deux étoiles au-dessous des valeurs de frottement proviennent de deux échantillons quasicristallins. Les autres symboles représentent divers composés binaires et ternaires à base d’aluminium.

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