Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS), CNRS UMR 8580

Thèmes de recherche

• Matériaux fonctionnels pour l'énergie

Cet axe de recherche étudie et propose de nouveaux matériaux pour applications énergétiques, plus spécifiquement pour le nucléaire et pour les technologies de l’hydrogène.
Cet axe inclut le Laboratoire de Recherche Conventionné CARMEN (École Centrale Paris, CNRS et CEA) qui s’intéresse aux propriétés de matériaux céramiques à l’équilibre et hors équilibre thermodynamique. Cette équipe mixte étudie également l’influence des conditions d’élaboration sur les propriétés des matériaux et la dégradation de ces propriétés induite par le vieillissement en milieu extrême, de première importance pour les applications nucléaires.
Cet axe comprend également une activité autour des « matériaux et technologies de l’hydrogène », dont l’objectif est de trouver les matériaux de rupture qui permettront un fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide à plus basse température ou la production propre d’H2 par photolyse. Une activité importante concerne la mesure des propriétés de transport (impédance, complexe, conductivité, relaxation) sous température et atmosphère contrôlées.

• Ferroiques Avancés

Cet axe de recherche s’intéresse à des oxydes fonctionnels dont les propriétés sont gouvernées par la polarisation électrique, l’élasticité mécanique, l’aimantation magnétique et le couplage entre ces grandeurs dites ferroiques. Notre objectif est :

• de concevoir et développer de nouveaux matériaux à différentes échelles (cristaux, céramiques, couches minces, nanofils, nanocomposites, hétérostructures…),
• d’étudier de nouvelles fonctionnalités en vue d’applications potentielles dans l’électronique (mémoires ferroélectriques, filtres acoustiques, électronique de spin...), l’énergie (récupération d’énergie mécanique, stockage électrique, photovoltaïque…), le pétrole (capteurs-actionneurs dans les puits de pétrole) ou encore le vivant via des prothèses biomécaniques,
• de mieux comprendre les mécanismes microscopiques (couplage électromécanique, magnétoélectrique, photoélectrique…) mis en jeu dans ces fonctionnalités afin d’optimiser les propriétés et d’en prédire le comportement.

Cette recherche s’appuie sur des méthodes et outils à la pointe de la technologie, depuis la fabrication et la nanostructuration des matériaux jusqu'à leur modélisation en passant par une large gamme de techniques de caractérisation.

• Structures Électroniques, Modélisations et Simulations

L’objectif scientifique de cet axe est le développement de méthodes innovantes aussi bien dans le domaine de la théorie que de l’expérience. Les thèmes de choix des recherches théoriques concerne le développement de nouvelles fonctionnelles dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la prise en compte des effets quantiques en dynamique moléculaire. Du point de vue expérimental, on peut mentionner la nucléation induite par laser (NPLIN), sans oublier les méthodes développées pour l’analyse conjointe de données expérimentales provenant d’expériences de nature différente. Il s’agit d’une opération mixte (Centrale Paris, Faculté de Pharmacie de Paris-Sud) : pour cette raison, l’étude des interactions cibles biologiques – principes actifs a toujours occupé une place importante. Néanmoins, d’autres systèmes ont été considérés : mentionnons, par exemple, les matériaux thermoélectriques, les oxydes (éventuellement sous pression) ou encore les surfaces.

Domaines d'application

• Industrie nucléaire, matériaux céramiques pour les réacteurs de 4e génération.
• Céramiques fonctionnelles : condensateurs multicouches à forte capacité volumique, transducteurs piézoélectriques, microsystèmes, actuateurs électrostrictifs.
• Domaine biomédical, industries pharmaceutique, chimique et agro-alimentaire, chimie analytique, gemmologie et minéralogie, filière hydrogène, piles à combustibles, production d’hydrogène, élaboration de céramiques nanostructurées.

Techniques expérimentales

• Diffraction des rayons X haute résolution en température, sous champ électrique et atmosphère contrôlée ;
• Mesures électriques entre 10 et 1473 K : 4 points, impédance, Van der Pauw, etc. ;
• Spectroscopie Raman in situ (77-873 K) ;
• Analyses thermique et thermogravimétrique ;
• Élaborations de Poudres et Nanopoudres, Monocristaux, Couches Minces, Mises en formes de Céramiques ;
• Modélisation : Calculs DFT, Monte-Carlo, dynamique moléculaire.

Exemples de travaux