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Le prix national C’Nano décerné à Maxime Hallot récompense son projet de recherche avec un dépôt de brevet via le RS2E qui conduit à des applications innovantes dans le micro-stockage de l’énergie.

Portraits croisés de deux jeunes pépites de l’IEMN

Le prix C’Nano a été décerné en 2020 pour l’ensemble de leurs travaux de thèse à Maxime Hallot dans le domaine du micro-stockage et à Nathali Franchina Vergel sur le graphène artificiel.

Maxime Hallot « Déposer une dernière brique »

Maxime a conçu des batteries miniatures qui reposent sur l’alliage de matériaux lithiés. Ces batteries dites solides sont développées en architecture 3D, ce qui leur confère une grande capacité de stockage.

« Le challenge des années 2010-2020 est de concevoir des batteries ayant de grandes densités d’énergie dans des espaces très réduits. On peut prendre l’image d’un poumon : sa structure complexe en arborescence, composée d’alvéoles terminées par des capillaires, permet un échange gazeux optimal avec l’air. »

Son projet consacre plusieurs années de recherche sur le sujet. Sa prédécesseur avait travaillé en architecture 3D mais sur une demi-pile. Or, une batterie est composée (d’au moins) 6 couches de matériaux.

« Grâce à mes travaux de thèse, j’ai déposé la dernière brique. Avec l’empilement de toutes les couches de matériaux en 3D, j’ai validé la fabrication d’un dispositif complet ! »

Après une école préparatoire intégrée à l’ISEN, Maxime poursuit en cycle ingénieur et valide un master Systèmes communicants à l’Université de Lille avec option nano et microtechnologies où il développe un goût prononcé pour le stockage ou la conversion de l’énergie. Là, il rencontre Christophe Lethien, son directeur de thèse, qui va l’orienter vers des thématiques porteuses.
Pour Maxime, le challenge de sa recherche reposait sur la conception de batteries tout solides car l’électrolyte, la substance conductrice qui, séparant deux électrodes permet l’échange des ions, est composée de solvants liquides.

« Une difficulté a été de réaliser toute la synthèse des matériaux sur une architecture 3D qui fait appel à des techniques de dépôts avancées dites « par couche atomique » ou ALD (Atomic Layer Deposition).

Les travaux de Maxime sont en phase de maturation. Il souhaite continuer à travailler dans le domaine de l’énergie renouvelable. Il projette d’étendre son prototype à un projet global de systèmes de stockage de l’énergie pour d’autres types de batteries ou de composants. Avec, à la clé, une startup qui a de l’avenir, hébergée à l’IEMN !

Vous avez tous deux contribué à faire beaucoup de développements micro et nanotechnologiques en salle blanche. Comment décririez-vous votre expérience ?

NATHALI : « J’aime beaucoup le travail en salle blanche ! D’abord, il faut de la préparation et beaucoup de patience. D’un autre côté, le travail de collaboration entre techniciens, ingénieurs, chercheurs a été remarquable, à l’IEMN, c’est comme une grande famille ! »

MAXIME : « Oui, d’abord, c’est un travail d’équipe indispensable ! C’est fascinant aussi car on arrive à observer des phénomènes très pointus. Je dirais que le travail en salle blanche c’est à la fois une remise en question permanente et tous les jours une découverte. »

Nathali Franchina Vergel : Une alliance complète
de la physique fondamentale et du développement micro et nanotechnologique

Le travail de Nathali est inspiré par le graphène, un matériau aux propriétés électriques et techniques exceptionnelles, baptisé en 1986. Ce matériau se trouve à l’état naturel dans les cristaux de graphite. Des chercheurs l’ont découvert en 2004 en utilisant la bande adhésive d’un rouleau de scotch pour exfolier des couches de graphite. « Ses caractéristiques sont uniques : à la fois solide et léger, excellent conducteur thermique, déformable et transparent ; il est cependant difficile à synthétiser et à coupler avec d’autres matériaux. » Nathali a contourné la difficulté en créant un matériau artificiel qui imite les caractéristiques du graphène :

« On a réalisé une structure en nids d’abeille en faisant des trous dans les semi-conducteurs III-V, pour mimer l’organisation des atomes de carbone du graphène, en s’appuyant sur la physique quantique. »

Pour observer les phénomènes quantiques, il faut travailler à une échelle microscopique telle que les électrons se comportent principalement comme des ondes. Là, les atomes se rapprochant, le comportement des électrons change : « c’est pourquoi un panel de techniques différentes a été testé pour essayer de créer la structure en nids d’abeille la plus petite possible. » Pour la fabrication, la chercheuse a utilisé les nombreuses ressources de la salle blanche IEMN : la lithographie électronique, croissance par jets moléculaires, la gravure sèche, …

Microscope à effet tunnel

La fabrication du matériau innovant s’est accompagnée de sa caractérisation à l’aide de mesures électroniques et électriques et de beaucoup d’instrumentation.

« La caractérisation en Champ proche, c’est mon domaine de spécialisation. J’ai appris à me servir d’un microscope à effet tunnel (STM). Il nous permet de voir comment les électrons se comportent à l’intérieur des matériaux. »

Aujourd’hui, la doctorante de Bruno Grandidier et Christophe Delerue a intégré l’IMEC (Institut de microélectronique et composants), en Belgique, sur un poste d’ingénieur de recherche où elle participe à la réalisation de composants et de circuits. À l’IEMN, elle s’est spécialisée dans les techniques de gravure sèche qu’elle réinvestit dans son nouveau travail : « j’utilise mon expertise sur la gravure sèche mais dans d’autres domaines comme les mémoires magnétiques, ou à changement de phase. » Autrement dit, un transfert de compétences réussi !

Writing : Karine Perrot

Le prix régional Nord-Ouest C’Nano décerné à Nathali Franchina Vergel salue l’originalité d’une thèse s’épanouissant à la fois dans la recherche fondamentale en physique et dans la fabrication et la caractérisation de process.