La plateforme Structures et Propriétés met à disposition des groupes de recherche des outils de caractérisation des propriétés physico-chimiques des matériaux élaborés au laboratoire. Outre la maintenance et la gestion du parc instrumental, son rôle est d’apporter une réelle expertise dans des techniques de caractérisation de pointe. La plateforme est également fortement impliquée dans des projets de développement instrumentaux en conditions extrêmes. La diversité des instruments de caractérisation proposés permet de sonder les propriétés physico-chimiques de la matière de l’échelle macroscopique (propriétés magnétiques, électrique, optiques, mécaniques) à l’échelle nanométrique et atomique (structure des matériaux, imagerie de champs magnétiques à l’échelle nanométrique, etc…). Les techniques expérimentales permettant la caractérisation de ces propriétés font appel à des compétences en plasmonique, diffraction (rayons X et électrons) et interaction rayonnement-matière au sens large.
Sébastien Weber, animateur
Le service Microscopie Electronique en Transmission (MET), Focused Ion Beam (FIB) et Préparation d’échantillon est composé des trois entités complémentaires et indissociables : la préparation d’échantillons MET/ MEB, le FIB/SEM, la MET.
Ce service offre à l’ensemble des utilisateurs du laboratoire mais aussi exterieurs la possibilité de réaliser une étude approfondie d’un matériau par microscopie électronique.
Nos champs d’activités et points forts sont :
– Préparation classique pour la MET (lame mince) et pour la microscopie électronique en balayage (MEB)
– Préparation FIB de lames minces localisées
– Imagerie multi-échelle (Optique, MEB, MET, HRTEM)
– Cartographie d’orientation et chimique (EBSD, ASTAR, EDS, EELS)
Points forts :
– Expertise en amincissement mécanique, électrolytique et ionique
– Expertise en imagerie, spectroscopie, diffraction
– Large gamme de porte-objets MET pour des observations in situ (température, traction, multi contact, …)
– Maintenance et formation sur l’ensemble des équipements du service
– Réalisation de prestations pour l’extérieur (local, national, européen…)
Le service préparation d’échantillons est l’activité indispensable qui précède l’observation en microscopie électronique. Les méthodes conventionnelles consistent à effectuer du polissage de surface pour des observations en microscopie électronique à balayage (MEB), ou à amincir les échantillons jusqu’à quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur pour des observations en microscopie électronique en transmission (MET). Cependant, la préparation d’un échantillon peut devenir plus exotique suivant la problématique en jeu.
Le service met à disposition du laboratoire de nombreux outils, et différentes techniques de préparations, qui sont enseignées aux étudiants et aux personnes souhaitant être formées.
Qu’elle soit conventionnelle, ou plus moderne, la préparation d’échantillon nécessite de la part de l’opérateur une grande précision, du doigté et de la patience !
Ce service est composé de deux membres Catherine Crestou TCE CNRS (spécialiste des amincissements ioniques) et Dominique Lamirault TCN ITRF (spécialiste des amincissements électrolytiques)
Amincissement ionique : GATAN PIPS Model 691
Vue plane sur échantillon BaTiO3
Cross-section sur échantillon de BaTiO3
Polissage électrolytique : STRUERS TenuPol-5
Echantillon d’un alliage métallique sur une rondelle de cuivre
Outils de découpe :
Machine à électroérosion à fil ONA AF25
Scies à fils diamantés ESCIL Well
Tronçonneuse BUEHLER IsoMet 4000
Polissage mécanique :
Polisseuses ESCIL 300GTL, 200GTL
Polisseuse semi-automatique ALLIED Multiprep
Polisseuse BUEHLER Phoenix 4000
Polisseuse vibrante BUEHLER
VibroMet2 GATAN Grinder
SOUTH BAY TECHNOLOGY Tripod Polisher Model 590
GATAN Dimpler Grinder Model 656
Les systèmes double faisceaux FIB/SEM sont composés de deux microscopes : une colonne SEM (Scanning Electron Microscope) et une colonne FIB (Focused Ion Beam). Ils permettent l’observation et l’abrasion de la matière à l’échelle de la dizaine de nanomètres. Ils peuvent également accueillir de nombreux autres équipements permettant de déposer de la matière (Pt, W, Au, C), de déplacer des objets ou encore de faire de l’analyse chimique ou cristallographique toujours à une échelle submicrométrique.
Nous utilisons ces machines au CEMES pour réaliser de nombreuses expériences sur tout type de matériaux : préparation de lame mince pour la microscopie électronique en transmission (MET), analyses EDS et EBSD, gravure de piliers et de poutres pour des tests en compression et en flexion in situ, gravure de réseaux stencils sur membrane Si3N4, contactage électrique par dépôt métallique localisé, …
Ce service est composé d’une personne : Robin Cours, Ingénieur d’Etude CNRS.
Helios NanoLab600i
Points forts : Préparation lame MET, Analyse EDS EBSD, MEB FEG
Microscope Helios
Microscope Helios NanoLab600i
Zeiss CrossBeam 1540 XB
Points forts : Lithographie électronique, MEB FEG
Microscope Zeiss CrossBeam 1540
Installation d’un nano cône de carbone sur une tête decantilever d’AFM
Les microscopes électroniques en transmission (MET) sont formés d’un canon à électron (source), de lentilles électromagnétiques qui agissent sur le faisceau d’électron et de différents détecteurs. Ces détecteurs vont permettent l’obtention d’images, de clichés de diffractions informant sur la forme et la structure de l’échantillon, mais également sur sa composition chimique ou sur ses propriétés mécaniques, magnétiques, électriques…. Les MET permettent une observation très locale des matériaux (de quelques µm2 à quelques Å2) Pour que le faisceau d’électron traverse l’échantillon celui-ci doit être très fin (de l’ordre de 100nm).
Les MET mis à disposition pour des utilisateurs internes ou externes au sein du CEMES sont aux nombres de 6, 4 conventionnels (le CM20, JEM2010, CM20FEG, HF2000) et 2 corrigés des aberrations en mode image (TECNAIF20 et HF3300 I2TEM). Une très large gamme de porte-objets est également proposée afin d’agir in-situ (cad dans le microscope) sur les matériaux étudiés. Il est alors possible d’orienter, de chauffer, de déformer, d’appliquer des champs sur nos échantillons afin de remonter à leurs propriétés intrinsèques.
Le service assure la formation des utilisateurs qui souhaitent devenir autonome pour l’ensemble des techniques offertes par le parc (imagerie conventionnelle, diffraction mode parallèle et précession, ASTAR, haute résolution, STEM, spectroscopie EELS/EDX, EFTEM…), et la réalisation de prestation dans une des techniques citées précédemment.
Le service est composé de deux membres : Sébastien Joulié, Ingénieur d’Etude CNRS responsable technique des microscopes CM20, JEM2010 et TECNAIF20, et Cécile Marcelot Ingénieur d’Etude CNRS responsable technique des microscopes CM20FEG, HF200 et I2TEM.
CM20 (200kV)
Microscope CM20
Nano-bâtonnets de cobalt
JEOL 2010 (200kV)
Points forts : champ sombre, video in situ
Microscope JEOL 2010
Dislocations dans un superalliage base nickel
CM20 FEG
Points forts : spectroscopie EDX, précession Astar
Microscope CM20 FEG
Cartographie EDX d’un alliage aluminium-cuivre
Cartographie d’orientation d’une dendrite d’oxyde de fer
TECNAI F20 (200kV)
Points forts : haute résolution, spectroscopie EELS
Microscope Tecnai F20
Nanoparticule de Fe3O4
HF2000 (200kV)
Microscope HF2000
Croissance de nano-bâtonnets de cobalt sur de l’Al2O3
I2TEM (HF3300) 300kV
Points forts : holographie électronique, in operando, haute résolution, spectroscopie EELS
Microscope I2TEM (HF3300)
Hologramme sur une nano-fleur de CoFe2O4
Le service optique et magnétisme regroupe l’ensemble des capacités expérimentales en optique et en magnétisme du laboratoire. Il met à disposition des utilisateurs internes et externes au laboratoire des outils de caractérisation des propriétés optiques/magnétiques des matériaux. La partie optique regroupe des dispositifs de spectroscopie Raman en champ proche et lointain ainsi que des possibilités de mesures temporelle de la femtoseconde à la milliseconde. Une cartographie spatiale des propriétés mesurées sur des échantillons structurés est disponible sur tous les dispositifs. La partie magnétisme regroupe des mesures magnéto-optique Kerr macro- et microscopique, radio-fréquences et de magnéto-transport sous cryostat.
Les dispositifs du service sont soit directement accessibles par les utilisateurs (après formation) soit en collaboration avec les chercheurs ayant « monté » le dispositif.
Sébastien Moyano, Frédéric Neumayer, Sébastien Weber (responsable)
Microscope à Force Atomique couplé à un spectromètre Raman constituant notre TERS (Tip Enhanced Raman Spectrometer)
Points forts :
Diagramme de fonctionnement de la librairie PyMoDAQ pour le contrôle de dispositifs expérimentaux et l’acquisition de données
a) Micro-MOKE: Dispositif de caractérisation de l’aimantation sous microscope par effet MOKE (Magneto-optical Kerr Effect).
b) Image de domaines magnétiques acquise en utilisant le Micro-MOKE et son logiciel sous PyMoDAQ.
Le service possède différents types de laser (continus, pulsés, à gaz, solid-state…) utilisés sur les différents dispositifs expérimentaux selon les besoins ainsi que des lasers attachés à des dispositifs particuliers :
Table optique (Spectro T64000) regroupant un ensemble de LASER à gaz (Argon, Krypton et solid-state : Ti-Sa). Ces sources peuvent être délivrée dans les différentes salles d’expérimentation par fibre optique
Le service Caractérisation fédère plusieurs activités complémentaires autour d’un but unique : offrir une approche multidisciplinaire pour la caractérisation des matériaux. Il dispose d’un très vaste parc instrumental qui lui permet d’explorer de nombreuses propriétés des matériaux telles que celles liées notamment à leurs interfaces, leurs morphologies, leurs caractéristiques mécaniques ou cristallographiques. Ce parc est complété par divers moyens de préparation des échantillons dont un ensemble de fours haute température (jusqu’à 1500°C).
Le service propose aussi bien ses compétences pour des mesures simples que pour des études plus approfondies de nombreux types de matériaux nécessitant parfois du développement instrumental et/ou méthodologique.
Il s’appuie sur les compétences propres des agents qui le composent : David Neumeyer, pour les matériaux divisés et leurs caractérisations, Christophe Deshayes pour les essais mécaniques et observations en microscopie électronique à balayage. L’activité de diffraction des rayons X complète et étend les moyens d’investigation du service.
Une grande partie des dispositifs du service est accessible aux utilisateurs après formation théorique et pratique aux techniques ainsi qu’à l’interprétation des résultats.
Contact : david.neumeyer@cemes.fr
Quelques exemples de moyens disponibles et résultats :
a-1 et a-2 Diffractomètre Brucker Discover (2D), exemple de résultat obtenu pour une pâte de tesson poterie chinoise ancienne (Clément Hole) b-1 mésoporosité mesurée et c-1 à 3, Malvern NanoZS, poten-tiel Zeta et Phase Plot (Alumine commerciale – CE NanoDesk)
Le fort développement des techniques d’élaborations de matériaux divisés (Spray Pyrolyse, CVD, Sol-Gel, etc…) a conduit au développement conjoint des moyens spécifiques de caractérisations des poudres au sein du CEMES.
Portée par plus de deux décennies d’activités dans le cadre de nombreuses collaborations, de prestations ou de projets, portant sur une grande diversité de matériaux, l’activité s’est enrichie de l’expérience acquise sur les spécificités liées à la compréhension et la mise en œuvre de matériaux divisés.
Elle propose à ce jour l’accès à différentes techniques, telles que l’adsorption-désorption de gaz, la diffusion dynamique de la lumière, la granulométrie laser, la spectrofluorescence, etc…
Ces techniques permettent un accès macroscopique à diverses propriétés essentielles à la compréhension du comportement des solides divisés.
Combinées à d’autres techniques disponibles au sein de la plateforme de CEMES, elles permettent des études très complètes des poudres et dispersions.
Contact : david.neumeyer@cemes.fr
Liste non exhaustive des techniques disponibles :
Le service est équipé de deux diffractomètre Bruker D8 qui permettent une complémentarité dans les études des matériaux cristallisés.
Le premier, le D8 Advance, est équipé d’une source Cuivre et d’un détecteur LynxEye (1D) dans une configuration Bragg-Brentano. Il est très résolutif et son utilisation est adaptée à l’identification de phases et à l’étude des processus d’affinement.
Contact : david.neumeyer@cemes.fr
Le second, le D8 Discover, est équipé d’une micro source Cobalt et d’un détecteur 2D. Il est dédié aux mesures de contraintes et de textures ainsi qu’à l’étude des échantillons ne possédant pas de surface plane.
Contact : christophe.deshayes@cemes.fr
Le service est équipé de deux machine d’essais mécaniques :
Contact : christophe.deshayes@cemes.fr
[1] – Microstructure, Plasticity and Ductility of a TNM+ Alloy Densified by Spark Plasma Sintering -Michael Musi, Christophe Deshayes, Guy Molénat, Louise Toualbi, Benjamin Galy, Petra Spoerk-Erdely, Muriel Hantcherli, Jean-Philippe Monchoux, Marc Thomas, Helmut Clemens and Alain Couret*– 2022- https://doi.org/10.3390/met12111915
[2] – Remarkable corrosion resumption of archaeological bronzes, induced by the oxidation of ternary Cu-Sn-S phases in atmosphere, after long-term burial with sulfides – Céline Rémazeilles*, Véronique Langlet-Marzloff, Juan Creus, Guillaume Lotte, Christophe Deshayes, François Baleux, Luc Robbiola – 2020 – https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108865
[3] – Simple and economic elaboration of high purity CaCO3 particles for bone graft applications using a spray pyrolysis technique – David Neumeyer*, Chiara Venturini, Nicolas Ratel-Ramond, Marc Verelst and Andre Gourdon – 2017 – https://doi-org.inp.bib.cnrs.fr/10.1039/C7TB00586E
[4] – Influence of salts and humic acid on 2,4-dichlorophenoxyacetic acid removing from aqueous solution by peanut shell activated carbon – Jacques K. Fatombi*, Ignace Agani, Sèmiyou A. Osseni, Esta A. Idohou, David Neumeyer, Marc Verelst, Robert Mauricot, Taofiki Aminou – 2020 – https://doi.org/10.5004/dwt.2020.25597
[5] – Optimizing metal-support interphase for efficient fuel cell oxygen reduction reaction catalyst -Divya Nechiyil, Meenakshi Seshadhri Garapati, Rashmi Chandrabhan Shende, Sébastien Joulié, David Neumeyer, Revathi Bacsa, Pascal Puech, Sundara Ramaprabhu, Wolfgang Bacsa* – 2020 – https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.11.015
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