Croissance épitaxiée de films minces d'alliages à haute entropie

Mots clés

Alliage à haute entropie, Epitaxie par jets moléculaires, propriétés magnétiques, propriétés mécanqiues, catalyse

Détail de l'offre

Le terme alliage à haute entropie (HEA) [1], fait référence à une solution solide aléatoire métallique composée d'au moins cinq éléments dont chacun est en concentration équi- ou quasi-équiatomique (entre 5 et 35 at.%). Sans élément principal, ces matériaux adoptent des structures cristallographiques simples telles que les phases de solution solide à structure cubique centrée, cubique à face centrée et plus récemment hexagonale compacte. Le concept de HEA offre de nouvelles perspectives dans la conception de matériaux et d'alliages métalliques avec de multiples combinaisons et compositions possibles. L'exploration d'un tel champ de recherche va conduire à de nouvelles propriétés à la fois en volume mais aussi en surface, en témoignent les récents travaux sur les nanoparticules de HEA dans le domaine de la catalyse hétérogène [2] ou encore l'utilisation toujours croissante des HEA sous forme de revêtements fonctionnels. En effet, des récentes études ont rapporté des propriétés de surface remarquables de ces matériaux incluant par exemple de bonnes résistances à l'oxydation, à la corrosion ou encore à l'usure. Bien que ce champ de recherche soit très documenté, seule une étude a rapporté la caractérisation de la structure atomique d'une surface monocristalline d'un HEA sous ultravide [3], reflétant la rareté de tels échantillons.

A notre connaissance, la croissance d'HEA en films minces épitaxiés est très succincte et essentiellement restreinte à l'alliage CrMnFeCoNi préparé par MBE (Molecular Beam Epitaxy) assistée par laser sur des substrats de MgO en utilisant une couche tampon de Cu [4]. Des couches épitaxiées de CoCrFeNi(001) ont été aussi obtenues en pulvérisation cathodique à partir de substrats monocristallin de MgO [5]. Enfin, des HEA à base d'oxyde (nommés HEO) à 5 cations MgCoNiCuZnO5 et 6 cations MgCoNiCuZnXO6 (X=Sc, Sb, Sn, Cr or Ge) ont pu être épitaxiés aussi sur MgO par ablation laser (PLD : Pulse Laser Deposition) [6]. En conséquence, le nombre très limité d'études de systèmes HEA modèles monocristallins ne permet pas d'avoir une description atomistique des surfaces et interfaces nécessaire à la compréhension des phénomènes physiques en résultant. Des réponses sont attendues sur la stabilité des phases, la distribution chimique à l'échelle nanométrique, et sur les structures de surface et d'interface des couches minces de HEA. L'étude de ces aspects cruciaux nécessite des systèmes modèles.

L'objectif de cette thèse sera donc de synthétiser des HEA par épitaxie par jets moléculaires et à fournir des monocristaux de HEA sous forme de couches minces épitaxiées pour trois familles chimiques distinctes (métal de transition, réfractaire, terre rare), permettant d'étudier leurs propriétés physico-chimiques de surface et d'interface. Cette approche représente une alternative pour pallier au manque de monocristaux issus de techniques conventionnelles (Czochralski, Bridgman…). Les structures (volume/surface/interface) seront caractérisées par des techniques des sciences des surfaces et des matériaux. Par la suite, l'adsorption d'un métal sur ces films minces renseignera sur les mécanismes de nucléation d'adsorbat et identifiera toute décomposition de phase à l'échelle nanométrique et/ou transformation à l'interface HEA-monocouche métallique. Cette approche conduira à une description atomistique des surfaces et des interfaces métal/HEA, connaissances nécessaires pour adapter ce matériau en vue d'applications. Ce projet repose sur l'expertise de 2 équipes de recherche, de 3 centres techniques et sur des installations uniques à l'IJL.