soutenance de thèse de Lu SHI

Mots-clés:
phases MAX ; MXènes ; croissance de monocristaux ; propriétés électroniques

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Résumé :

Les phases MAX sont des carbures ou des nitrures ternaires nano-lamellaires comportant un métal de transition (M), un élément des colonnes 13-16 (A), X=C ou N.Ces phases combinent certaines des meilleures propriétés des céramiques à celles des métaux. En 2011, il a été établi qu’un traitement à l’acide fluorhydrique (HF) des phases MAX comprenant de l’aluminium permet une élimination sélective des plans d’atomes Al, avec pour résultat la formation de matériaux bi-dimensionnels (2D) appelés MXènes. Ces nouveaux membres de la famille des matériaux 2D sont plus résistants, chimiquement plus polyvalents et possèdent une conductivité supérieure à nombre d’autres matériaux. Ils se révèlent par conséquent très intéressants pour de nouvelles applications, par exemple pour des systèmes de délivrance de médicaments in vivo, le stockage d’hydrogène, ou pour remplacer d’autres matériaux dans des batteries, le traitement des eaux usées ou divers capteurs.

Dans cette thèse, nous présentons notre travail sur la synthèse, la caractérisation structurale et le transport électronique dans les phases MAX et leurs dérivés 2D, les MXènes. En utilisant avec succès la méthode de croissance en solution à haute température associée à un refroidissement lent, nous avons obtenu des monocristaux de divereses phases MAX, incluant Cr2AlC, V2AlC, Ti3SiC2, etc.

La caractérisation structurale confirme le caractère mono-cristallin des échantillons. Expérimentalement, nous avons acquis un jeu exhaustif de mesures de magnéto-transport de monocristaux en fonction de la température et du champ magnétique. De plus, nous obtenons un rapport d’anisotropie très important entre la résistivité dans le plan ab et celle parallèle à l’axe c. D’un point de vue théorique, nous avons proposé un modèle général mais simple pour décrire les propriétés de magnéto-transport d’électrons presque libres dans des métaux 2D hexagonaux.

En ce qui concerne les MXènes, nous avons synthétisé avec succès des écailles de MXènes V2CTx de grande surface à partir du traitement HF conventionnel de monocristaux de V2AlC. La délamination mécanique de ces écailles multi-couches de V2CTx en échantillons comportant peu de monocouches a aussi été réalisée. Nous avons établi la morphologie typique de ces couches à partir d’images de microscopies MEB ou TEM. Nous détaillons ensuite le procédé de fabrication des dispositifs électriques utilisés pour obtenir les résultats de mesures de transport électrique jusqu’à basse température. Du fait de l’intensité des recherches portées actuellement sur les MXènes, nous espérons que ces résultats contribueront de manière significative à une meilleure compréhension de cette classe de matériaux et de la façon dont leurs propriétés peuvent être contrôlées.

Jury de thèse :
Dr. Jean-Christophe, CHARLIER - Université Catholique de Louvain, Belgique- Examiner
Dr. Vincent, BAYOT - Université Catholique de Louvain, Belgique - Examiner
Dr. Sylvain, DUBOIS - Université de Poitiers, France -  Rapporteur
Dr. Matthieu, VERSTRAETE - Université de Liège, Belgique - Rapporteur
Prof. Thierry, OUISSE -  Laboratoire LMGP - Grenoble INP, France - Thesis Director
Prof. Benoît, HACKENS -Université Catholique de Louvain, Belgique - co-Thesis Co-director