Permanents : Thierry Cabioc’h (Pr CNU28), Patrick Chartier (MdC CNU28), Sylvain Dubois (Pr CNU28), Véronique Gauthier-Brunet (MdC HDR CNU28), Vincent Mauchamp (Pr CNU28), Jérôme Pacaud (MdC HDR CNU28)
Doctorants : Bertrand Levraut (2016-2020), Thomas Bilyk (2017-2020), Florian Brenet (2018-2021), Florian Brette (2019-2022), Axel Zuber (2019-2022)
- Contexte et objectifs :
Cette action est axée sur la synthèse et la caractérisation de composés ternaires, appelés phases MAX, qui sont des carbures ou nitrures hexagonaux de formule générale Mn+1AXn ( n = 1, 2 ou 3) où M est un métal de transition, A est un élément du groupe A du tableau périodique et X est du carbone et/ou de l’azote. Ces matériaux sont généralement décrits comme un empilement de couches d’octaèdres M6X séparées par une couche de l’élément A, structure nanolamellaire qui confère à ces matériaux une combinaison remarquable de propriétés alliant celles des céramiques et des métaux. Nos travaux dans ce domaine couvrent différentes activités :
- la synthèse de matériaux monophasés, aussi bien sous forme de matériaux massifs que de films minces ;
- la synthèse de nouvelles phases MAX sous forme de solutions solides ;
- la caractérisation des propriétés de transport et de la structure électronique ;
- l’étude du comportement sous irradiation de films minces épitaxiés élaborés par voie PVD ;
- l’étude des propriétés mécaniques (élastiques, dureté, module d’Young, plasticité, fluage, …).
a) Schematic of a 312 MAX phase unit cell, b) HRTEM and SEM images of the nanolaminated structure, c) Cr2GeC resistivity anisotropy, d) Solid Solution effects on the mechanical properties, and e) Ti2AlN Density of States.
L’expertise développée dans le domaine de la synthèse des phases MAX a également permis la synthèse de nouveaux composés bidimensionnels : les MXènes. Ces matériaux, découverts en 2011 et obtenus par exfolliation de l’élément A de la phase MAX, forment une nouvelle classe de carbures de métaux de transition 2D aux compositions chimiques variées (du fait du très grand nombre de phases MAX existentes) et aux propriétés encore mal connues. Outre la synthèse de MXènes de type Ti3C2 ou Ti2C, leurs propriétés structurales et électroniques ont été étudiées par XRD, TEM, EELS couplées à des calculs ab initio avec une attention particulière portée sur le rôle des groupes de surface dans leurs propriétés électroniques. Ces groupements ont notamment une importance majeure pour les applications très prometteuses de ces systèmes dans le domaine du stockage de l’énergie.
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Collaborations : Pr. M.W. Barsoum (Drexel Univ.), Dr. P. Eklund (Linköping Univ.), Pr. L. Piraux (Univ. catholique de Louvain), Dr. G. Hug (ONERA), Dr. N. Jaouen (Synchrotron SOLEIL), S. Célérier (IC2MP, Poitiers)
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Programmes de recherche : H2020 Il Trovatore, FEDER NanoTrans, ANR MXene-CAT, projet NAq
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Principales publications récentes :
S. Célérier, S. Hurand, C. Garnero, S. Morisset, M. Benchakar, A. Habrioux, P. Chartier, V. Mauchamp, N. Findling, B. Lanson, E. Ferrage, Hydration of Ti3C2Tx MXene: An interstratification process with major implications on physical properties,
Chem. Mater. 31 (2019) 454-461. 10.1021/acs.chemmater.8b03976
M. Nechiche, T. Cabioc’h, E. Caspi, O. Rivin, A. Hoser, V. Gauthier-Brunet, P. Chartier, S. Dubois, Evidence for symmetry reduction in Ti3(Al1-deltaCudelta)C2 MAX phase solid solutions,
Inorg. Chem. 56 (2017) 14388-14395. 10.1021/acs.inorgchem.7b01003
X. Wang, C. Garnero, G. Rochard, D. Magne, S. Morisset, S. Hurand, P. Chartier, J. Rousseau, T. Cabioc’h, C. Coutanceau, V. Mauchamp, S. Célérier, A new etching environment (FeF3/HCl) for the synthesis of two-dimensional titanium carbide MXenes: a route towards selective reactivity vs. water,
J. Mater. Chem. 5 (2017) 22012-22023. 10.1039/c7ta01082f
A. Nassour, V. Mauchamp, S. Dubois, Interplay between nanolaminated structure and electron-phonon coupling in Ti-based MAX phases,
Phys. Rev. B 94 (2016) 205131. 10.1103/PhysRevB.94.205131
T. Lapauw, J. Halim, J. Lu, T. Cabioc’h, L. Hultman, M. W. Barsoum, K. Lambrinou, J. Vleugels, Synthesis of the novel Zr3AlC2 MAX phase,
J. Eur. Ceram. Soc. 36 (2016) 943-947. 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.10.011
T. Lapauw, K. Lambrinou, T. Cabioc’h, J. Halim, J. Lu, A. Pesach, O. Rivin, O. Ozeri, E. N. Caspi, L. Hultman, P. Eklund, J. Rosen, M. W. Barsoum, J. Vleugels, Synthesis of the new MAX phase Zr2AlC,
J. Eur. Ceram. Soc. 36 (2016) 1847-1853. 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.02.044
E. N. Caspi, P. Chartier, F. Porcher, F. Damay, T. Cabioc’h, Ordering of (Cr,V) layers in nanolamellar (Cr0.5V0.5)n+1AlCn compounds,
Mater. Res. Lett. 3 (2015) 100-106. 10.1080/21663831.2014.975294
M. Nechiche, V. Gauthier-Brunet, D. Eyidi, S. Azem, S. Dubois, Ni-coated SiC particles: synthesis and densification,
J. Am. Ceram. Soc. 98 (2015) 4058-4065. 10.1111/jace.13763
T. Ouisse, L. Shi, B. A. Piot, B. Hackens, V. Mauchamp, D. Chaussende, Magnetotransport properties of nearly-free electrons in two-dimensional hexagonal metals and application to the Mn+1AXn phases,
Phys. Rev. B 92 (2015) 045133. 10.1103/PhysRevB.92.045133
D. Magne, V. Mauchamp, S. Célérier, P. Chartier, T. Cabioc’h, Spectroscopic evidence in the visible-ultraviolet energy range of surface functionalization sites in the multilayer Ti3C2 MXene,
Phys. Rev. B 91 (2015) 201409(R). 10.1103/PhysRevB.91.201409
M. Bugnet, M. Jaouen, V. Mauchamp, T. Cabioc’h, G. Hug, Experimental and first-principles investigation of the electronic structure anisotropy of Cr2AlC,
Phys. Rev. B 90 (2014) 195116. 10.1103/PhysRevB.90.195116
W. Yu, V. Mauchamp, T. Cabioc’h, D. Magne, L. Gence, L. Piraux, V. Gauthier-Brunet, S. Dubois, Solid solution effects in the Ti2Al(CxNy) MAX phases: Synthesis, microstructure, electronic structure and transport properties,
Acta Mater. 80 (2014) 421-434. 10.1016/j.actamat.2014.07.064
V. Mauchamp, M. Bugnet, E. P. Bellido, G. A. Botton, P. Moreau, D. Magne, M. Naguib, T. Cabioc’h, M. W. Barsoum, Enhanced and tunable surface plasmons in two-dimensional Ti3C2 stacks: Electronic structure versus boundary effects,
Phys. Rev. B 89 (2014) 235428. 10.1103/PhysRevB.89.235428
W. B. Yu, V. Gauthier-Brunet, T. Cabioc’h, S. Dubois, Synthesis and microstructural characterization of substoichiometric Ti2Al(CxNy) solid solutions and related Ti2AlCx and Ti2AlN end-members,
J. Am. Ceram. Soc. 97 (2014) 2308-2313. 10.1111/jace.12930
N. J. Lane, S. C. Vogel, E. N. Caspi, S. Dubois, V. Gauthier-Brunet, G. P. Bei, M. W. Barsoum, A high-temperature neutron diffraction and first-principles study of Ti3AlC2 and Ti3(Al0.8Sn0.2)C2,
J. Am. Ceram. Soc. 97 (2014) 570-576. 10.1111/jace.12696
M. Jaouen, M. Bugnet, N. Jaouen, P. Ohresser, V. Mauchamp, T. Cabioc’h, A. Rogalev, Experimental evidence of Cr magnetic moments at low temperature in Cr2A(A=Al, Ge)C,
J. Phys.: Condens. Matter 26 (2014) 176002. 10.1088/0953-8984/26/17/176002
T. Cabioc’h, P. Eklund, V. Mauchamp, M. Jaouen, Structural investigation of substoichiometry and solid solution effects in Ti2Al(Cx,N1-x)y compounds,
J. Eur. Ceram. Soc. 32 (2012) 1803-1811. 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.12.011
P. Eklund, M. Bugnet, V. Mauchamp, S. Dubois, C. Tromas, J. Jensen, L. Piraux, L. Gence, M. Jaouen, T. Cabioc’h, Epitaxial growth and electrical transport properties of Cr2GeC thin films,
Phys. Rev. B 84 (2011) 075424. 10.1103/PhysRevB.84.075424
V. Mauchamp, G. Hug, M. Bugnet, T. Cabioc’h, M. Jaouen, Anisotropy of Ti2AlN dielectric response investigated by ab initio calculations and electron energy-loss spectroscopy,
Phys. Rev. B 81 (2010) 035109. 10.1103/PhysRevB.81.035109