Activité « Verres Chalcogénures»

Synthèse et caractérisation des verres chalcogénures

L’étape « Synthèse et caractérisation » représente la pierre angulaire de la partie fondamentale. Elle est le point de départ pour les autres activités applicatives. La synthèse des verres se fait par l’intermédiaire de deux techniques: (i) synthèse en tube silice sous vide et (ii) synthèse par broyage mécanique à température ambiante. Cette étape est généralement suivie par la caractérisation classique telle que la définition du domaine vitreux des systèmes chalcogénures en utilisant la diffraction de rayons X (DRX) de laboratoire et les mesures des propriétés macroscopiques telles que la densité et les températures caractéristiques (Tg, Tx et Tm) analysées en s’appuyant sur les mesures DSC. En plus de la caractérisation classique, notre équipe fait un effort exceptionnel en ce qui concerne l’étude du transport électrique dans les verres et leurs structures correspondantes.

Structure et phénomènes de transport dans les verres chalcogénures

Les verres chalcogénures et chalcohalogénures – conducteurs ioniques sont des matériaux exemplaires pour étudier les régimes drastiquement différents de transport ionique dans les verres en relation avec leur structure atomique à l’échelle microscopique (1-5 Å) et intermédiaire (5-10 Å). Les régimes de percolation critique et de type modifier-controlled ont été découverts précédemment et une relation avec la distribution aléatoire ou non des espèces mobiles a été établie. Un modèle qualitatif de transport ionique dans les verres nécessite toujours leurs études par des méthodes macroscopiques (conductivité, diffusion de traceurs, etc.) et structurales (diffusion de neutrons et de RX durs).

Phénomènes de transport 

Cela peut être fait en utilisant une combinaison de différentes techniques d’analyse telles que la spectroscopie d’impédance complexe, la méthode Wagner, et la méthode de diffusion par traceur radioactif. Tout d’abord, la spectroscopie d’impédance complexe nous permet d’avoir des informations sur les propriétés électriques des matériaux telle que la conductivité totale mais en aucun cas nous permet de différencier entre les composantes ionique et électronique de la conductivité. À cette fin, nous pouvons employer deux techniques (i) la méthode Wagner qui nous permet de mesurer la conductivité électronique et (ii) la diffusion par traceur radioactif qui est une technique expérimentale très performante pour étudier les phénomènes de transport ionique dans les solides. Alors, la combinaison entre ces trois techniques nous donne la possibilité de déterminer sans ambiguïté les contributions ioniques et électroniques de la conductivité.

transport

Conductivité totale σ avec ses composants ionique σAg+ et électronique σe
dans le système ternaire CdTe-AgI-As2Te3

Structure des verres chalcogénures

La particularité des travaux de l’équipe réside dans l’utilisation des faisceaux intenses de neutrons et de RX durs sur les grands instruments (synchrotrons, sources neutroniques à spallation, réacteurs). Ces techniques sont idéales à l’analyse de la structure des matériaux amorphes où le manque de symétrie et de périodicité de ces composés amorphes rend inutilisable les méthodes structurales efficaces de type Rietveld. Les informations obtenues, couplées aux résultats obtenus par des méthodes de laboratoire, permettent d’établir clairement certaines corrélations à courte et moyenne distance dans les verres et d’émettre des hypothèses sur les mécanismes de conduction susceptibles de s’y opérer. En fait, notre équipe utilise régulièrement plusieurs grands sites et collabore avec d’autres équipes nationales et internationales :

  • Argonne National Laboratory, APS (Chicago, USA)
  • Oak-Ridge National Laboratory, SNS, HFIR (TN, USA)
  • ISIS Facility (Oxford, UK)
  • Spring-8 (Osaka, Japon)
  • LLB (Saclay)
  • ILL (Grenoble)

he-xrd

Corrélations As-S et Hg-S dans les fonctions de corrélations totales obtenus par
(a) la diffusion de neutrons et (b) les DRX-HE
pour les verres (HgS)y(As2S3)1-y avec y = 0,4

hgsas2s3

Fraction f4FHgdu mercure quadruplement coordonné pour les verres HgS-As2S3 tracée en fonction de la teneur en HgS

Capteurs chimique à base de verres chalcogénures

Cet axe de recherche porte sur l’élaboration de nouveaux matériaux appliqués à la base de verres halogénures pour le développement des capteurs chimiques. Ces capteurs sont ou seront utilisés pour le contrôle in situ et en continu des polluants écotoxiques dans les milieux aqueux et/ou gazeux. Les verres chalcogénures sont des matériaux prometteurs comme membranes sensibles aux métaux lourds et anions toxiques en milieu aqueux. Par rapport aux dispositifs disponibles dans le commerce, ils possèdent une sensibilité, sélectivité et stabilité chimique bien meilleure. De plus, l’aptitude presque illimitée des verres à pouvoir être dopés et modifiés nous permet de développer de nouveaux capteurs avec des caractéristiques très différentes. Nous avons déjà utilisé cette approche dans la conception et le développement d’un nouveau capteur de plomb qui a ensuite été exploité dans un prototype de système d’auto surveillance de métaux lourds dans les particules atmosphériques. Dans la poursuite de ces travaux sur la détection de métaux lourds, notre équipe travaille actuellement sur le développement des capteurs de cadmium, de mercure et de thallium.

capteur

Montage d’un capteur chimique avec membrane sensible à base de verres chalcogénures

Batteries « tout-solide » à base de verres chalcogénures

Ce nouvel axe de recherche porte sur l’élaboration, via la technique de broyage mécanique, de nouveaux verres/vitrocéramiques chalcogénures dopés avec des ions lithium Li+ ou sodium Na+ en vue d’application en tant qu’électrolytes solides pour les batteries tout solide. L’utilisation d’un électrolyte solide signifierait, en plus de la résolution des problèmes de sécurité liés à l’électrolyte liquide inflammable (utilisé dans les batteries de nos jours), des améliorations significatives dans la performance de la batterie, une densité énergétique plus élevée, et une durée de vie de la batterie plus longue. Cependant, les électrolytes solides souffrent encore de leur faible conductivité et de la mauvaise définition des interfaces électrodes/électrolyte. D’où notre intention de développer des électrolytes à base des chalcogénures parce que la conductivité de ces derniers est nettement supérieure à celle de leurs homologues oxydes (2 ordres de grandeurs). Le but essentiel sera l’élaboration d’un électrolyte solide avec (i) une conductivité ionique supérieure ou égale 10−4–10−3 S.cm-1 à température ambiante et (ii) une conductivité électronique inférieure à 10-9 S.cm-1.

Contact : Mohammad KASSEM, Maria ESCORNE-BOKOVA
Notre équipe accueille régulièrement des stagiaires de master, des doctorants ou encore des post-doctorants. Si notre activité vous intéresse, n’hésitez pas à prendre contact.