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Equipe
- Membres permanents : Laurent Belliard, Olga Boyko, Agnès Huynh, Eric Charron, Serge Vincent
- Chercheur invité : Bernard Perrin
Les phonons jouent un rôle essentiel dans les phénomènes optiques et électroniques des semiconducteurs et dans leurs nanostructures. En particulier, les phonons acoustiques terahertz interviennent directement dans la relaxation des porteurs confinés dans les nanostructures telles que les puits quantiques ou boîtes quantiques. Tout comme la structuration de la matière à l’échelle micrométrique permet d’obtenir des propriétés optiques particulières, une structuration à l’échelle nanométrique permet un contrôle des propriétés acoustiques dans le domaine du THz. Nous avons notamment étudié les super-réseaux de GaAs/AlAs en tant qu’élément de nanocavité pour confiner des phonons ou en tant que générateur ou détecteur de phonons sub-THz.
Atténuation acoustique dans les semi-conducteurs
Atténuation acoustique dans les verres
Elasticité de systèmes biologiques
Les matériaux multi-fonctionnels
Études expérimentales sur les ondes élastiques dans les nanomatériaux et la structure
Contrôle non destructif des propriétés opto-mécaniques des nanofils piézoélectriques
Atténuation acoustique dans les semi-conducteurs
- Agnès Huynh
- Bernard Perrin
Collaborations : Jelena Sjakste, Nathalie Vast : Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), École Polytechnique–CEA/DRF/IRAMIS–CNRS UMR 7642, Palaiseau
Lorenzo Paulatto : Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC), Sorbonne Université
Nous nous intéressons à l’atténuation des ondes sonores de hautes fréquences. C’est un sujet d’actualité alors que les systèmes électroniques fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées. De plus l’atténuation acoustique à haute fréquence est liée à la propagation de la chaleur qui joue un rôle important dans de nombreux problèmes technologiques. La connaissance de l’atténuation à haute fréquence est aussi importante pour le développement de l’imagerie par des techniques acoustiques de microstructures enterrées dans le domaine de la microélectronique, et donc dans des matériaux semiconducteurs standards (GaAs, Si par exemple). Enfin, le développement de l’optomécanique vers des fréquences des résonateurs de plus en plus élevées, la dizaine de gigahertz, se heurte à la limitation du facteur de qualité par les interactions phonon-phonon lorsque la température augmente.
Nous étudions ainsi la propagation d’ondes acoustiques de fréquence sub-terahertz dans divers matériaux (GaAs, silicium) et générés et détectés grâce à des transducteurs optique-acoustique tels que des superréseaux GaAs/AlAs et/ou des films métalliques excités par des impulsions laser femtosecondes dans une configuration pompe sonde.
Figure : Principe de l’expérience pompe sonde d’acoustique picoseconde
Une collaboration avec une équipe de théoriciens (*) permet d’analyser les résultats dans le cadre de la théorie de Landau Rumer ou d’Akhiezer qui sont deux régimes asymptomatiques, en fonction de la température et de la fréquence acoustique. La poursuite des mesures en variant ces deux paramètres permettra de développer un modèle théorique dans le régime intermédiaire.
Figure : T=15K. Un super-réseau (SL) de période 5nm excité par une impulsion laser génère un train d’onde composé d’un continuum basse fréquence (f<100GHz) et d’une composante à 1THz. Ce train d’onde acoustique se propage dans le substrat de GaAs et est détecté grâce au changement de réflexion de l’impulsion sonde sur un autre super-réseau de période bien choisie (~5nm). Le signal obtenu contient essentiellement 2 fréquences, la fréquence Brillouin à 45GHz et la fréquence 1THz (voir les oscillations dans l’agrandissement, de période 1ps, et en rouge le signal filtré autour de 1THz). Cette configuration a permis de mesurer l’atténuation acoustique à 1THz en suivant l’évolution de l’amplitude du signal à cette fréquence en fonction de la température.
Atténuation acoustique dans les verres
- Agnes Huynh
- Bernard Perrin
Collaborations : Marie Forêt, Laboratoire Charles Coulomb université de Montpellier
Lafosse et A. Lemaître, C2N, Paris Saclay
K. Sun, Université de Taiwan
Les verres présentent de nombreuses anomalies élastiques comme par exemple, une compressibilité qui augmente lorsque la pression augmente : la structure « ramollit » sous de fortes pressions. L’origine de ces particularités est à chercher dans l’ordre à moyenne distance. Nous nous intéressons à la propagation des ondes acoustiques à des fréquences allant de quelques centaines de GHz jusqu’au THz, c’est-à-dire pour des longueurs d’onde acoustiques proches des longueurs caractéristiques d’inhomogénéités structurelles et vibrationnelles attendues. De plus une propriété quasi universelle des verres est l’existence d’un excès de modes dont le maximum de densité d’état se situe autour du THz : le pic Boson. Les modes acoustiques perdent leur caractère d’onde plane à des fréquences supérieures à une limite définie par un critère de Ioffe Regel. Ce seuil doit être la conséquence d’un fort mécanisme d’amortissement prépondérant pour ces fréquences (0.1-1THz), dont l’origine est toujours débattue.
Nous nous intéressons donc à la mesure de la vitesse et de l’atténuation des ondes acoustiques en fonction de la température et de la fréquence dans un verre modèle, la silice. Nous étudions la propagation d’impulsions acoustiques dans des films de silice dans diverses configurations.
Légende : Echos acoustiques successifs réfléchis sur l’interface silice/substrat. Un modèle analytique permet d’ajuster les courbes afin d’en déduire l’atténuation (en rouge).
- Laurent Belliard
- Bernard Perrin
- Eric Charron
- Serge Vincent
- Ronan Delalande
Collaborations : IM2NP de Marseille, INAC CEA de Grenoble, GSI Helmholtz de Darmstadt, Max Plank Inst. de Stuttgart
D’un point de vue général, l’élasticité de nano-objets suscite un vif intérêt dans la communauté scientifique. En effet, bon nombre de questions restent en suspend comme par exemple, la limite de validité en taille de l’hypothèse du milieu continu, le rôle des champs de contraintes internes, quel est l’impact des procédés de structuration sur la réponse mécanique de ces entités et plus particulièrement sur les temps de vie ?
Nous abordons ces problématiques sur un système model : le nanofil unique.
Les paramètres élastiques sont accessibles au travers de l’analyse des différents modes de résonance de ces objets, faut-il encore que la finesse spectrale de la dynamique vibrationnelle soit suffisamment bonne. Afin d’exacerber le confinement, nous travaillons sur des systèmes autosuspendus grâce à la pré-structuration des substrats.
Légende : a) Animation du principal mode de respiration détecté. b) Un nanofil de Cu autosuspendu au-dessus d’une tranchée sur Si. c) Réponse temporelle et spectrale d’un nanofil unique.
Elasticité de systèmes biologiques
- Laurent Belliard
- Eric Charron
- Serge Vincent
Collaborations : LCMCP SU, SPPIN UP, Centre de recherche ECE
La régénération de neurones sous champ électrique est vecteur d’immenses espoirs en ce qui concerne le traitement de pathologies et ou traumatismes sévères du système nerveux central et/ou périphérique. La migration et différenciation des cellules étant très fortement liée à l’environnement élastique, des caractérisations élastiques à l’échelle micronique sont dans ce contexte primordiales. D’autre part, il a été démontré le lien entre élasticité et pathologie cancéreuse ouvrant ainsi la voie à l’étude quantitative de l’effet de certains traitements.
L’approche envisagée pour extraire l’élasticité des objets biologiques (films de collagènes, PC12, motoneurones) est basée sur une approche de type pompe sonde optique, à savoir l’imagerie acoustique picoseconde (IAP) permettant de cartographier les propriétés d’adhésion, d’élasticités et de viscosité à l’échelle des inhomogénéités des cellules.
Figure : a) Géométrie expérimentale. b) Comparaison entre une réponse temporelle avec et sans motoneurone. c) Cartographie d’impédance acoustique au niveau de la cellule.
Les matériaux multi-fonctionnels
- Laurent Belliard
- Bernard Perrin
- Eric Charron
- Serge Vincent
- Ronan Delalande
Collaborations : LSPM de Paris XIII, l’Institut P’ de Poitiers, l’IMR en Chine, Department of Solid State Sciences, Ghent University
Le fort besoin de l’industrie en revêtements présentant de grande résistance à l’usure, et/ou à la corrosion, a stimulé bon nombre de recherches dans le domaine des matériaux afin de synthétiser des couches avec des propriétés de dureté et de tribologie adéquates. Dans cette perspective, les solutions solides métastables à base d’alliages ternaires et quaternaires de nitrures comme AlCrN, TiZrN, TiTaN et les alliages à forte entropie sont d’excellents candidats. Nos approches résolues en temps couplées avec des techniques de type diffusion Brillouin spontanée de surface ont démontré leur force pour aborder les corrélations entre propriété élastique et microstructure dans de tels systèmes.
L’aspect valorisation, de nos approches expérimentales, vers des problématiques industrielles est également prégnant. Citons pour exemple, des collaborations avec le centre de recherche de Saint Gobain, le CEA-LETI, la société Essilor, CEA-Ripaud et la start-up Néta.
Figure : a) Spectre temporel illustrant la détection d’écho longitudinaux. b) Spectre de diffusion Brillouin. c) Evolution des Vl et Vt dans des alliages ternaires.
Etudes expérimentales sur les ondes élastiques dans les nanomatériaux et les structures
- Olga Boyko
- Eric Charron
Collaborations
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) UMR 9001 CNRS Avenue de la Vauve 91120 Palaiseau (France)
- Institut de mécanique, de mathématiques et d’informatique, Université d’État de Kuban, Krasnodar (Russie)
- Grope of Nanophotonic Devices, DTU Fotonik – Université technique du Danemark, Département d’ingénierie photonique (Danemark)
Nous concentrons notre étude sur le comportement élastique des matériaux avancés qui sont réalisés grâce à la technologie des salles blanches. Nous avons une approche à la fois expérimentale et numérique pour étudier la génération d’ondes élastiques à haute fréquence, l’interaction entre l’onde et la matière, et le contrôle de la propagation des ondes à l’échelle micro et nanométrique. Les matériaux d’ingénierie que nous concevons sont composés d’inclusions dans une matrice solide. Ces matériaux présentent des propriétés de propagation uniques et exotiques. Nous travaillons sur la génération d’ondes acoustiques de surface (SAW) ultrasoniques dans des structures à base de nanofils de nitrure qui sont des matériaux prometteurs pour les générateurs micro-piézoélectriques et la récolte d’énergie. Une technique non invasive, la méthode des réseaux transitoires, est utilisée pour générer et analyser la propagation des ondes acoustiques dans la gamme de fréquences allant de quelques dizaines de MHz à plusieurs GHz. La propagation des ondes est simulée à l’aide d’un modèle informatique efficace en termes de temps, basé sur les représentations explicites intégrales et asymptotiques des ondes acoustiques de surface générées par laser dans des guides d’ondes anisotropes en couches. Les paramètres effectifs du modèle multicouche sont obtenus par la minimisation de l’écart entre les caractéristiques des ondes mesurées et calculées.
Légende : Reconstruction des comportements élastiques du matériau composite GaN avec algorithme d’optimisation.
Contrôle non destructif des propriétés opto-mécaniques des nanofils piézoélectriques
- Olga Boyko
- Eric Charron
Ce projet se concentre sur la réalisation de transducteurs interdigités (IDT) afin de générer des ondes acoustiques à haute fréquence dans des nano-objets piézoélectriques pour leur contrôle non destructif.
Les transducteurs interdigités à ondes de surface sont généralement obtenus en déposant un motif d’électrodes sur une plaque piézoélectrique permettant de générer et de détecter directement des ondes de surface sur la même plaque. Ce concept a été largement utilisé dans le domaine de l’électronique comme dispositif de traitement du signal car les ondes de Rayleigh peuvent être excitées très efficacement sur ce type de structure même pour des fréquences élevées de plusieurs GHz. Ce type de capteur combine, sur une même plaque piézoélectrique, les électrodes pour la génération des ondes de surface et les électrodes pour leur détection.
Nous adaptons la technique à l’étude des propriétés mécaniques des nanofils piézoélectriques en nitrite de galium. Dans la littérature scientifique, nous trouvons un grand nombre d’articles exploitant les remarquables propriétés optoélectroniques des nanofils de GaN résultant en partie de leur rapport d’aspect élevé. Ils sont mécaniquement flexibles et peuvent supporter de fortes déformations sans relaxation plastique. Grâce à cette performance, un grand nombre d’ouvrages sont consacrés à l’étude des matériaux composites contenant des nanofils et, indépendamment, à l’étude des propriétés d’un seul nanofil. En particulier, les nanofils intégrés dans une matrice polymère offrent une solution élégante pour créer un matériau piézo-générateur flexible, qui convertit l’énergie de l’environnement en énergie électrique.
Un grand nombre de travaux sont consacrés à l’étude des propriétés optoélectroniques, il y a eu peu de recherches sur les propriétés élastiques des nanofils. Certaines recherches portent principalement sur l’étude de la conversion de l’énergie mécano-électrique dans le domaine des Hz et des kHz. La plupart des vibrations environnementales couvrent un spectre de fréquences à l’échelle du kHz, et la transformation du bruit ambiant à kHz en énergie électrique est un moyen de créer des micro-dispositifs piézo-électriques utiles dans notre vie quotidienne. Cependant, en raison de la taille nanométrique, les résonances mécaniques des nanofils sont attendues à des fréquences comprises entre quelques centaines de MHz et plusieurs GHz.
Légende : Le nanofil GaN est placé sur des transducteurs interdigités. Le champ de génération du réseau pénètre dans le nanofil et crée une contrainte élastique qui se propage au réseau de détection.
Dans notre expérience, les ondes de Rayleigh seront générées directement dans le matériau GaN et non à la surface du substrat lui-même. Le projet est donc essentiellement expérimental. Il s’appuie sur les moyens instrumentaux dont nous disposons en laboratoire : technologies de « salle blanche », excitation et détection des ondes élastiques par IDT, manipulation de nano-objets.
PHYSICAL REVIEW B 93, 184304 (2016)
PHYSICAL REVIEW B 95, 014304 (2017)
Huynh et al PHYSICAL REVIEW B 96, 174206 (2017)
- Probing elastic properties of nanowire-based structures. Applied Physics Letters 113 (16), 161903 (2018) https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01913851
- O. Boyko, E. Charron, B. Bonello, L. Lu, M. Tchernycheva, N. Gogneau, E. Glushkov, N. Glushkova. High Frequency Elastic Properties of Nitride Nanowires-Based Structures. Journal of Physics: Conference Series 1092, 012014 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02385637
- E. Glushkov, N. Glushkova, O. Boyko. An analytically based computer model for evaluating effective elastic properties of nitride nanowire-polymer compositions using laser-generated surface acoustic waves. JPhCS 1092 (1), 012042 (2018) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1092/1/012042
- Evaluation of Effective Elastic Properties of Nitride NWs/Polymer Composite Materials Using Laser-Generated Surface Acoustic Waves. Applied Sciences 8 (11), 2319 (2018) https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01954341
- E. Glushkov, N. Glushkova, A. Eremin, O. Boyko. Determination of effective parameters of composite materials using surface acoustic waves. Proceedings of Meetings on Acoustics ICU 38 (1), 045017 (2019) https://asa.scitation.org/doi/abs/10.1121/2.0001096
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- S. Fernández, C. Jean, E. Charron, P. Gentile, M.I. Richard, O. Thomas, B. Perrin, L. Belliard. In depth characterization of Ge-Si core-shell nanowires using X-ray coherent diffraction and time resolved pump-probe spectroscopy. Jour. Appl. Phys. 126, 204304 (2019) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02457440
- A. Viel, E. Péronne, O. Sénépart, L. Becerra, C. Legay, F. Semprez, L. Trichet, T. Coradin, A. Hamraoui, L. Belliard. Picosecond ultrasounds as elasticity probes in neuron-like cells models. Appl. Phys. Lett. 115, 213701 (2019) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02457446
- G.Abadias, J.J.Colin, D.Tingaud, Ph.Djemia, L.Belliard, C.Tromas. Elastic properties of α- and β-tantalum thin films. Thin. Sol. Films 688, 137403 (2019) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02457454
- R. Delalande, L. Burr, E. Charron, M. Jouini, M. E. Toimil-Molares, L. Belliard. Vibrational response of Au-Ag alloy and porous Au single nanowires probed by ultrafast pump-probe spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 115 083103 (2019) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02134035v2
- B. Zhao, F. Xu, L.Belliard, H. Huang, B. Perrin, P. Djemia, A. Zerr. Sound Velocities and Elastic Moduli of Phases I and V of Silicon at High Pressures. Phy. Sta. Sol. Rap. Res. Lett . 13 (8) (2019) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02470850
- E. Alonso-Redondo, L. Belliard, K.Rolle, B. Graczykowski, W. Tremel, B. Djafari-Rouhani, G. Fytas; Robustness of elastic properties in polymer nanocomposite films examined over the full volume fraction range. Scientific Reports (8), 16986 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02457460
- N. Tureson, M. Marteau, T. Cabioch, N.V Nong, J. Jensen, J. Lu, G. Greczynski, D. Fournier, N. Singh, Ajay Soni, L. Belliard, P. Eklund, A. le Febvrier. Effect of ion-implantation-induced defects and Mg dopants on the thermoelectric properties of ScN. Phys. Rev. B 98, 205307 (2018) https://tel.archives-ouvertes.fr/INSP/hal-02457458v1
- F. Faese, D. Poinot, P. Djemia, S. Chatel, L. Belliard. Mechanical properties of elementary layers involved in a multilayer optical stack by photon-acoustic phonon interaction approaches. Jour. Appl. Phys. 124, 125307 (2018) https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01922024F
- P.A. Mante, L. Belliard, B. Perrin. Acoustic phonons in nanowires probed by ultrafast pump-probe spectroscopy. Nanophotonics 7 (11) 1759–1780 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02457473
- Reactive sputter deposition of CoCrCuFeNi in nitrogen/argon mixtures. Journal of Alloys and Compounds 769, 881-888 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02095949
- M. Gharavi, S. Kerdsongpanya, S. Schmidt, F. Eriksson, N. Ngo Van, J. Lu, B. Balke, D. Fournier, L. Belliard, A. Le Febvrier, C. Pallier, P. Eklund. Microstructure and thermoelectric properties of CrN and CrN/Cr2N thin films. JPhysD (2018) 116465.R2 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02457466
