LuMINA : « Nanocomposites luminescents par injection pulsée de solutions colloïdales dans un plasma »

(Oct.2021-Mars 2025)

Contact : Richard Clergereaux

En raison de leurs applications potentielles dans les dispositifs d’éclairage, les matériaux émetteurs de lumière blanche suscitent un grand intérêt de la part des chercheurs. Les domaines d’application couverts comprennent les dispositifs d’affichage d’informations, les capteurs fluorescents et l’éclairage à semi-conducteurs. Afin de protéger les luminophores et de conserver leurs performances d’émission, une stratégie consiste à les intégrer dans une matrice transparente de nature organique ou préférentiellement inorganique.

En effet, une matrice inorganique présente généralement une meilleure tenue aux UV. Parmi les oxydes possibles répondant aux spécifications de la matrice hôte, la silice a été identifiée comme un candidat approprié répondant au cahier des charges grâce à sa transparence, sa stabilité chimique, sa biocompatibilité, et sa non-toxicité. L’utilisation conjointe de nanoparticules (NPs) optiquement actives et uniformément distribuées au sein d’une telle matrice offre de nombreuses possibilités d’applications de ces nouveaux matériaux composites (NC).

LuMINA a pour but de synthétiser des films NC basés sur des NPs de ZnO photoluminescentes, optiquement performantes et intégrées dans une matrice de silice protectrice et transparente. En effet, avec environ 125000, 1000 et 300 publications et une augmentation de 4, 3 et 20 fois identifiée dans le Web of Science en mars 2021 sur « NC », « NC basé sur ZnO NPs », et « NC SiO2 et ZnO », ces matériaux présentent toutes les propriétés pour les applications visées.
D’un côté, du point de vue du matériau, notre objectif est de préparer des films minces photoluminescents à partir de solutions colloïdales stables de NPs de ZnO de taille inférieure à 10 nm, fabriquées en laboratoire. Stabilisées dans des solutions organiques par des ligands, les NPs seront injectées pour former un aérosol et dispersées dans une matrice de silice de haute qualité optique, préparée dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Nous contrôlerons leur dispersion spatiale dans la matrice et évaluerons si et comment les défauts de surface des NPs sont affectés par le procédé plasma. A cet effet, les variations de la longueur d’onde d’émission et d’intensité lumineuse du signal de photoluminescence (PL) des NPs seront étudiées. Nous déterminerons également la quantité optimale de NPs à incorporer pour maximiser les propriétés de PL.

D’autre part, en termes de procédé, notre objectif est de caractériser et d’optimiser le procédé plasma assisté par aérosol couplant l’injection pulsée d’une solution colloïdale de NPs à un plasma à basse pression et basse température, pour le dépôt de couches minces de NC. Ceci nécessite de décrire pour mieux contrôler l’aérosol et son interaction avec le plasma, appelé, dans ce cas, plasma brumeux (misty) par analogie au plasma poudreux (dusty).

Le consortium permet une approche multidisciplinaire, allant de la chimie au LCC, de la physique des plasmas au Laplace jusqu’à la fabrication des NC, leur caractérisation structurale et l’évaluation de leurs propriétés à l’IMN. Plus précisément, le travail proposé s’étend de la chimie organométallique à la caractérisation des matériaux finaux et de leurs propriétés optiques en considérant les différentes étapes du procédé : dispersion, injection, physique des plasmas, interactions plasma-aérosol ainsi que les mécanismes plasma-surface. Afin d’étudier ces différentes étapes, la proposition est organisée autour de 4 tâches de recherche et d’une tâche de gestion de projet.

Les chercheurs de l’IMN, du Laplace et du LCC, dont les compétences sont complémentaires, ont déjà l’expérience de travailler dans le cadre d’une approche multidisciplinaire, ce qui facilitera les échanges et les interactions entre les partenaires et garantira le bon avancement du projet.

dormer shed plans