Equipe Métallurgie et Surfaces

Croissance Czochralski d’un monocristal d’une phase orthorhombique Al5Fe2 approximante d’une phase quasicristalline décagonale

Croissance Czochralski d’un monocristal d’une phase orthorhombique Al₅Fe₂ approximante d’une phase quasicristalline décagonale

Vue d’une chambre de microscopie à effet tunnel connectée à l’une des plateformes multi techniques sous ultravide (STM, AFM, LEED, XPS, UPS, MBE, SEM, SAM, EBSD)

Image STM de résolution atomique (73x73 Å2) d’une surface d’ordre 5 d’une phase quasicristalline icosaédrique Al-Pd-Mn.

Image STM de résolution atomique (73x73 Å²) d’une surface d’ordre 5 d’une phase quasicristalline icosaédrique Al-Pd-Mn.

Dernières publications

Synthesis of fullerite (100) through epitaxy on a complex intermetallic surface
Wilfried Bajoun Mbajoun, Yu-Chin Huang, Girma Hailu Gebresenbut, Cesar Pay Gómez, Vincent Fournée, Julian Ledieu
Applied Surface Science, 2025, 679, pp.161217. ⟨10.1016/j.apsusc.2024.161217⟩
Atomic structure of different surface terminations of polycrystalline ZnPd
M. Lowe, A. Al-Mahboob, D. Ivarsson, M. Armbrüster, J. Ardini, G. Held, F. Maccherozzi, A. Bayer, V. Fournée, J. Ledieu, J T Sadowski, R. McGrath, H R Sharma
Physical Review Materials, 2024, 8 (10), pp.105801. ⟨10.1103/PhysRevMaterials.8.105801⟩
Structure and properties of the (100) surface of the Au-Si-Ho quasicrystalline approximant
Wilfried Bajoun Mbajoun, Yu-Chin Huang, Girma Hailu Gebresenbut, Cesar Pay Gómez, Emilie Gaudry, Sylvie Migot-Choux, Jaafar Ghanbaja, Vincent Fournée, Julian Ledieu
Physical Review B, 2024, 110 (4), pp.045402. ⟨10.1103/PhysRevB.110.045402⟩

Présentation

L’équipe Métallurgie et Surfaces étudie à l’échelle atomique la structure et les propriétés de nouveaux composés intermétalliques - appelés Alliages Métalliques Complexes – en particulier leurs propriétés de surface.

Ces intermétalliques sont caractérisés par une maille élémentaire de grande dimension, contenant de quelques dizaines à plusieurs milliers d’atomes, et une sous-structure en agrégats. Les quasicristaux représentent le cas limite, car ils sont ordonnés à longue distance mais ne possèdent plus la périodicité de translation qui caractérise les cristaux. Ils présentent des symétries d’orientation dites interdites, d’ordre 5 ou 10. On trouve des alliages métalliques complexes dans un grand nombre de systèmes ternaires et certains binaires. Des structures quasicristallines existent également sous forme d’oxydes bidimensionnels ou bien de films moléculaires auto-organisés.

Ces matériaux possèdent des propriétés de surface remarquables (mouillage et frottement réduits, bonne résistance à la corrosion, faible conductivité thermique, activité et sélectivité catalytiques fortes, etc.). Ils peuvent trouver des applications comme matériaux de revêtement, comme particules de renfort dans des composites ou comme nouveaux catalyseurs pour l’industrie chimique.

Les travaux de l’équipe apportent des connaissances fondamentales sur l’origine de ces propriétés.
Ces activités portent sur :

• la métallurgie des intermétalliques complexes : élaboration de nouvelles phases, caractérisation, synthèse de monocristaux

• l’étude expérimentale de la structure et des propriétés de ces nouveaux composés par des méthodes de science des surfaces sous ultravide (microscopie à effet tunnel, photoémission, diffraction d’électrons lents, microscopie Auger, microscopie électronique)

Mots-clés

Nouveaux Composés Intermétalliques

Science des Surfaces

Matériaux Numériques

Catalyse

Microscopie à effet tunnel et Photoémission

Matériaux 2D

Thématiques de recherche

Nouveaux alliages intermétalliques et croissance monocristalline

Le domaine des intermétalliques est extrêmement riche. On estime n’avoir découvert à ce jour qu’une petite fraction des composés existants : moins de 50% des composés binaires, moins de 5% des ternaires, probablement moins de 1% des quaternaires. Des phases complexes, quasicristallines ou bien simplement à grande maille, ont déjà été découvertes dans plus d’une centaine de systèmes différents. Cette liste s’agrandit continuellement. L’équipe recherche de nouvelles phases intermétalliques, en particulier dans des systèmes dits push-pull. Il s’agit de systèmes ternaires pour lesquels deux binaires forment des composés intermétalliques alors que le troisième binaire n’en forme pas. Les échantillons sont élaborés par fusion à l’arc, par induction, par frittage ou par trempe sur roue. Puis ils sont caractérisés par analyse thermique différentielle, diffraction des rayons X, ou microscopies électroniques et optiques. Dans les cas favorables, l’équipe élabore des monocristaux de taille centimétrique par tirage Czochralski ou par flux. Ces monocristaux sont utilisés pour réaliser des études de physique et chimie des surfaces ou des mesures de propriétés physiques, soit à l’IJL ou à travers de collaborations nationales et internationales (IRP PAC2S ; European CMetAC).

Projet :
LIA-PACS2 (laboratoire international associé entre l’IJL et le Jožef Stefan Institute en Slovénie), 2019-2023.

Article :
Crystalline and electronic structures of the AlV₂Sn_2-x (x = 0.19) intermetallic compound, Boulet et al., Inorg. Chem.

Surfaces d’alliages métalliques complexes

La détermination des structures atomiques et électroniques des surfaces est essentielle pour comprendre et optimiser les propriétés de ces intermétalliques. L’équipe a développé une expertise internationalement reconnue dans ce domaine. Elle a ouvert son champ d’étude aux alliages à haute entropie, qui sont des alliages structuralement simples mais chimiquement complexes.

L’objectif est 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 des propriétés de surface particulières.

Projets :

Articles :

From Surface Structure to Catalytic Properties of Al₅Co₂(2-10) : a Study Combining Experimental and Theoretical Approaches, J. Phys. Chem. C, 2020, Chatelier et al.
Investigation of the (100) and (001) surfaces of the Al5Fe2 intermetallic compound
L. Boulley, D. Kandaskalov, M.C. de Weerd, S. Migot, J. Ghanbaja, S. Sturm, P. Boulet, J. Ledieu, E. Gaudry, V. Fournée. App. Surf. Sci., 542 (2021) 148540.

Films minces et interfaces

Les surfaces d’alliages métalliques complexes sont utilisées comme substrat pour la croissance de films ultraminces. Dans certains cas, il est possible d’induire certains éléments de symétrie du substrat dans le film et d’obtenir ainsi, en surface, des matériaux nouveaux : films métalliques, ou moléculaires de structure quasipériodique, par exemple. Des films d’oxydes quasicristallins peuvent également être formés à l’interface par démouillage d’un film d’oxyde épitaxié sur un substrat métallique.

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, appelés alliages de surface. 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.

Projets :

OXYQUASI
European Integrated Centre for the Development of New Metallic Alloys and Compounds
LIA-PACS2
ANR NOUS

Thèses :

2018-2021, Catalina Ruano-Merchan (MESR)
2018-2021, Dominique Dubaux

Articles :

Metastable Al-Fe intermetallic stabilised by epitaxial relationship. D. Dubaux, E. Gaudry, M.-C de Weerd, S. Sturm, M. Podlogar, J. Ghanbaja, S. Migot, V. Fournée, M. Sicot, J. Ledieu. Applied Surface Science, 533 (2020) 147492
Two-dimensional square and hexagonal oxide quasicrystal approximants in SrTiO3 films grown on Pt(111)/Al2O3(0001). C. Ruano M., T. T. Dorini, F. Brix , L. Pasquier, M. Jullien, D. Pierre, S. Andrieu, K. Dumesnil, S. S. Parapari, S. Šturm, J. Ledieu, M. Sicot, O. Copie, E. Gaudry, and V. Fournée. Phyc. Chem. Chem. Phys., 24 (2022) 7253.

Interactions avec l’environnement

Certaines phases intermétalliques complexes présentent des propriétés d’usage d’intérêt technologique. 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 et la densité d’états électroniques. La réactivité de surface de ces composés est également étudiée pour comprendre les mécanismes d’oxydation ou en vue d’applications en catalyse hétérogène, dans le but de remplacer des métaux nobles actuellement utilisés pour certaines réactions d’hydrogénation par exemple.

Articles :

Catalytic properties of Al₁₃TM₄ complex intermetallics: influence of the transition metal and the surface orientation on butadiene hydrogenation, Sci. Technol. Adv. Mater., 2019, 20, 557–567, Piccolo et al.
Non-wetting behavior of Al-Co quasicrystalline approximants owing to their unique electronic structures. K. Anand, V. Fournée, G. Prévôt, J. Ledieu, E. Gaudry. ACS Materials and Interfaces, 12 (2020) 15793–15801.

Savoir-faire

Elaboration

Synthèse de phases intermétalliques (four à arc, four à induction, trempe sur roue, four de frittage) et de monocristaux (four Czochralski, flux). Diffraction Laue.
Préparation de monocristaux / substrats par cycles de bombardement ionique et de recuits à haute température par bombardement électronique / chauffage radiatif ou par courant direct sous ultravide.
Synthèse de matériaux en couches minces par dépôts sous ultravide (films métalliques, alliages de surface, films moléculaires, films d’oxyde).

Caractérisation

Détermination des structures de surface par diffraction d’électrons lents (LEED) et microscopie à effet tunnel (STM).
Analyses physico-chimiques des surfaces par photoémission X et UV (XPS, UPS).
Analyses topographique, chimique et structurale des surfaces sous ultravide à haute-résolution spatiale (SEM, nanoSAM, EBSD) sur la plateforme SCAN couplée au Tube D.A.U.M.

Transfert technologique

Développement de nouveaux matériaux composites pour la fabrication additive avec l’équipe de recherche technologique Matériaux et procédés additifs. Plusieurs brevets déposés depuis 2009 et mise sur le marché sous licence d’exploitation.