CEA : “supercondensateurs”, “nanofils”, “N2O”

Une forêt dense de nano-arbres, tel est le secret de la surface d’électrodes « idéales » pour des supercondensateurs en silicium. Des chercheurs du CEA-Inac en ont apporté la démonstration avec des nanofils de silicium, longs et fortement dopés.

De la broussaille dans les supercondensateurs

Grâce à cette technologie, des composants capables de délivrer des pics de courant en quelques secondes pourraient s’inviter dans les puces de silicium et améliorer puissance et rapidité des circuits micro-électroniques.

Un supercondensateur permet de stocker de l’énergie électrique par accumulation d’ions aux électrodes.
Outre des qualités électriques de faible résistance et de forte capacité, une électrode quasi-idéale doit présenter une surface la plus grande possible à l’échelle des ions, et ses propriétés doivent rester stables en présence de l’électrolyte. Le choix de nanofils ou nano-arbres de silicium sur substrat du même matériau répond à ce cahier des charges, moyennant un dopage et un traitement de surface particuliers. De telles électrodes, réalisées à l’Inac, ont été testées avec succès dans diverses configurations à l’Institut des matériaux de Nantes. Elles ont été associées à deux types d’électrolytes, liquides ioniques (sels fondus à température ambiante) et gels de liquides ioniques, dans une architecture de supercondensateur. Les essais ont porté notamment sur des cycles répétés et ont mis en lumière un comportement quasi-idéal de ces dispositifs, ainsi que sa stabilité au cours du temps.

D’ici quelques mois, ces recherches vont se prolonger à travers un projet européen visant à doter les nanofils de silicium de fonctionnalités supplémentaires. Grâce à une capacité de stockage accrue, les supercondensateurs, désormais « pseudo-supercondensateurs », pourraient voir leurs performances décuplées et répondre ainsi à de nouveaux besoins de stockage d’énergie.


Le MEIS met les contraintes en lumière

L’utilisation pratique de nanofils de nitrure de gallium (GaN) pour réaliser des dispositifs électroluminescents, par exemple, nécessite de connaître les contraintes au sein de ces nanostructures. La technique MEIS (développée par le CEA-Inac et le CEA-Leti) révèle tout son potentiel dans la mesure de ces contraintes, indispensable à la prédiction des propriétés optiques de ces nouveaux matériaux.

Les nitrures comme le GaN sont des matériaux piézoélectriques qui présentent une polarisation spontanée. La détermination de l’état de contrainte d’une insertion nanométrique dans un nanofil est indispensable à la prédiction des propriétés optiques de ces objets. Il est de plus nécessaire d’en connaître la position avec une haute résolution. La technique MEIS (Medium Energy Ion Scattering), mise en place sur la plateforme de nano-caractérisation du CEA Grenoble, réunit ces deux qualités grâce à sa résolution en profondeur subnanométrique et à sa sensibilité à la déformation d’un cristal. La contrainte y est déterminée par la mesure de la déformation de la maille atomique en fonction de la profondeur.

Ce résultat ouvre la voie à l’utilisation de cette technique pour la détermination de l’état de déformation de nanostructures à base de nanofils, non seulement pour les nitrures, mais aussi sur les systèmes InAs/GaAs, InAs/InP ou Ge/Si.


Suivi des émissions de N2O à l’échelle d’un département

Le couplage de mesures de protoxyde d’azote (N2O) et de radon dans les masses d’air atmosphériques a permis d’affiner l’évaluation des sources d’émission de N2O à l’échelle d’un département. En France, 84% des émissions de protoxyde d’azote (N2O) proviennent des sols cultivés

Le protoxyde d’azote (N2O) est le troisième gaz à effet de serre d’origine anthropique, derrière le dioxyde de carbone et le méthane. Son pouvoir de réchauffement est trois fois plus élevé que celui du CO2. En France, 84% de ses émissions proviennent des sols cultivés, mais les estimations des flux issus des inventaires d’émission officiels présentent des incertitudes très élevées, de l’ordre de 200 %.

Des mesures de teneur atmosphérique en protoxyde d’azote (N2O) et en radon (222Rn), un gaz radioactif naturel, ont été réalisées en continu sur les sites de Gif-sur-Yvette et de Trainou (forêt d’Orléans). Le radon permet de relier les masses d’air analysées à la surface terrestre avec laquelle elles ont été en contact. Il a ainsi été possible d’estimer, à l’échelle d’un département, les flux d’émission de N2O avec une incertitude de 35 %. Cette méthode a conduit à un flux annuel surfacique de N2O de 0,42 g à Gif-sur-Yvette et de 0,52 g à Trainou, en cohérence avec les inventaires d’émission. Les résultats montrent un cycle saisonnier avec un maximum au printemps/été, lié à l’épandage d’engrais azotés, et une corrélation entre les flux annuels de N2O et les précipitations annuelles, l’humidité favorisant les réactions chimiques à l’origine des émissions.

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