Résultats AAP PSiNano 2024

Le LuMIn a développé un microscope à deux photons, dédié au suivi de nanocristaux non-linéaires (NC) dans les neurones. La méthode utilisée présente des performances aujourd’hui inégalées en 3D. Elle permet de suivre un NC unique porté par des moteurs moléculaires, pendant des dizaines de minutes, avec des incertitudes de localisation inférieures à 5 nm (20 nm en axial) et une résolution temporelle de 2 ms. Diviser cette précision par deux permettrait de discerner les pas d’un moteur moléculaire unique. Ce régime sera atteignable in vivo grâce à deux paramètres essentiels :

• une estimation de la position du NC qui nécessite que la focalisation du laser d’excitation soit limitée par la diffraction, d’où la mise en place d’une boucle d’optique adaptative (une partie du matériel est déjà acquise) pour corriger les aberrations induites par les tissus biologiques ;
• la brillance des NC, qui dépend quadratiquement de la puissance d’excitation à volume donné, d’où la demande d’achat d’un laser femtoseconde deux fois plus puissant que le laser actuel.

Le dihydrogène (H2) vert produit à partir de l’eau par photocatalyse est une solution prometteuse afin d’assurer une transition énergétique à l’horizon 2050. PANACHE propose de développer de nouveaux photo-catalyseurs à base de nanofils de GaN (bande interdite ~3.4 eV) ou GaN/Ga2O3, synthétisés par épitaxie sur substrat de silicium, fonctionnalisés à l’aide de nanoparticules métalliques (Pt, Cu, Ni), synthétisées à la surface des nanofils par radiolyse. Ce projet interdisciplinaire s’étend de la synthèse par épitaxie et radiolyse à l’application en photocatalyse pour la production d’H2, en passant par la caractérisation des matériaux et l’étude de la dynamique des porteurs de charges (photo-courant, CV, conductivité microonde résolue en temps TMRC…). La réussite de PANACHE repose sur une étroite collaboration entre le C2N, expert de l’épitaxie des nanomatériaux et leurs nano-caractérisations et l’ICP, expert en chimie des matériaux, en photocatalyse et électrochimie.

Nous avons récemment décrit un nouveau procédé pour la synthèse chimique de structures organiques covalentes 2D (2D-COF) de très haute qualité, telles que les nitrures de carbone CN, C2N et CTF [1]. Nous développons en ce moment la synthèse de 2D-C4N3. Le procédé repose sur l'utilisation d'une surface métallique comme réactif et comme support pour le couplage de petits synthons aromatiques halogénés. Les conditions sont choisies de manière à laisser les sels inorganiques sous-produits des réactions de couplage sur la surface, pour confiner davantage la réaction d'assemblage sur cette surface et pour augmenter la qualité des couches 2D résultantes. La disponibilité de telles couches de très grande taille et de haute qualité ouvre des perspectives intéressantes en électronique (propriétés de transport intrinsèques, substrat à large bande interdite pour le graphène et les hétérostructures 2D, etc.). TOP2D vise à étudier les propriétés de transport électronique de ces matériaux 2D intégrés dans des dispositifs de type transistors. Ceci permettra un réglage fin de leur dopage, ouvrant la voie à une compréhension approfondie de leurs propriétés électroniques.

Le HREELM sera le tout premier instrument capable de révéler la structure vibrationnelle sur surface à haute résolution spatiale (20 nm) et spectrale (5-10 meV), utiles pour de nombreuses applications dans la physique des surfaces, les matériaux 2D et la chimie des films moléculaires. Le HREELM combine des expertises scientifiques de plusieurs disciplines : physique atomique pour la source d'électrons monochromatique innovante (LAC), analyse des nanostructures et imagerie de surface (SPEC) et chimie et spectroscopie de surface (ISMO). La construction du prototype est organisée de manière modulaire : manipulateur haute précision (livré), source d'électrons (avril 2024), optique d'illumination et de transfert (appel d'offres lancé), détecteur pixellisé ultra-rapide (ANR TPX4 2024) et spectro-imageur à temps de vol (iTOF). L'objectif du projet PSINano est de construire le et implémenter le iTOF. L'expertise nécessaire en électronique, en optique électrostatique et en ingénierie mécanique est disponible dans les laboratoires impliqués.

Les matériaux 2D (graphène, nitrure de bore hexagonal hBN…) sont utilisés pour le développement de de nanostructures pour la physique et la biologie. Ils peuvent héberger des centres colorés utilisables comme sources luminescentes ou capteurs. Une voie d’élaboration de structures à base de matériaux 2D associe d’étapes d’assemblage par transfert de feuillets et de caractérisation optique (carte de luminescence, spectre…), réalisées au moyen d’instruments séparés. La contrôle des propriétés des feuillets et des centres colorés peut requérir des résolutions d’assemblage sub-longueur d’onde, inaccessibles par des méthodes optiques limitées par la diffraction. MICMAC est un projet de plateforme combinant, au sein d’un même instrument, imagerie champ large, confocale, super-résolue transfert et assemblage de matériaux 2D. MICMAC parallélisera diagnostics optiques et nanomanipulation de centres-colorés pour atteindre des précisions de positionnement de l’ordre de 10 nm.

L’auto-assemblage de molécules sur substrat cristallin permet d’aboutir à des structures 2D non-covalentes présentant des propriétés intéressantes pour différents domaines tels que l’optoélectronique ou les capteurs. La stabilisation de ces réseaux 2D en réseaux covalents tout en préservant ces propriétés est alors un enjeu de taille et un sujet d’actualité. Différentes démonstrations font état de réticulation déclenchée par des processus thermiques. A contrario, la photoréticulation est peu décrite et pour les quelques exemples trouvés, elle est employée dans des conditions d’ultra-vide. Nous nous proposons donc de mettre en oeuvre une photoréticulation de réseaux 2D à pression atmosphérique. Pour cela, un système modèle d’oligophényles fonctionnalisé pour permettre une photoréticulation et l’obtention d’un réseau 2D covalent sera utilisé. Les réseaux obtenus seront caractérisés par microscopie à sonde locale pour suivre et mettre en évidence les processus de réticulation photo-induite à l’échelle de la longueur d’onde.