Description du sujet de thèse

La première étape consiste en l’analyse des réseaux metallo-organiques (ou Metal-Organic Frameworks (MOF)) existants suivi de leur sélection à l’aide d’outils analytiques et d’apprentissage automatique. Pour les structures sélectionnées, il sera alors nécessaire de réaliser une série de synthèses solvothermales. Les MOF résultants deront être caractérisés structuralement à l’aide de diffraction des rayons X sur poudres et monocristaux, de spectroscopies FTIR et Raman. Ensuite, pour les MOF 2D obtenus, il sera nécessaire de réaliser une série d'exfoliations mécaniques sur différents substrats.
Les MOF d'épaisseur nanométrique résultants devront être caractérisés optiquement à l'aide de la spectroscopie en réflectance confocale, en transmission et en luminescence. L'analyse de la stabilité structurale dans des conditions normales est également incluse dans la liste des activités du projet.
À l'étape finale, il sera nécessaire de créer un prototype de capteur optique/électronique, dans lequel les couches MOF 2D devront réagir optiquement ou électroniquement au contact des molécules d’intérêt (solvants organiques et gaz).
Depuis la découverte du graphène et grâce à la révolution concomitante dans le domaine des matériaux bidimensionnels (2D), la technologie moderne a fait des progrès significatifs dans la miniaturisation des dispositifs micro et optoélectroniques [1]. Aujourd'hui, la bibliothèque de matériaux 2D est considérablement enrichie principalement de matériaux inorganiques, démontrant des propriétés magnétiques, électroniques, optiques, mécaniques, chimiques et autres dépendant de l'épaisseur [2]. Néanmoins, des progrès ont également été réalisés parmi les matériaux organiques 2D et organométalliques avec une épaisseur allant jusqu'à une monocouche. Au cours de la dernière décennie, une série de couches 2D covalentes, à liaison hydrogène et à structure organométallique (MOF) ont été obtenues, possédant des propriétés topologiques, optiques, thermiques, électroniques, magnétiques, catalytiques, de sorption et mécaniques prometteuses [3].
Un atout important des matériaux organométalliques 2D, par rapport à leurs analogues inorganiques, est (i) la chimie de surface complexe, qui assure l'activité catalytique et de séparation au niveau monocouche ; (ii) des cellules unitaires complexes avec différentes interactions faibles permettant d'ajuster de manière réversible les propriétés électroniques et mécaniques ; et (iii) un grand potentiel d'ajustement des paramètres du matériau (tels que la bande interdite, la mobilité électronique, la conductivité, etc.) en raison de la composition et de la structure variées. Cependant, contrairement aux mêmes homologues inorganiques, la fabrication de matériaux organométalliques monocouches et multicouches 2D est toujours associée à des défis fondamentaux liés à l'obtention d'une couche uniforme et lisse d'un grand rapport d'aspect (largeur sur épaisseur). Les approches répandues pour fabriquer de telles couches (de l'auto-assemblage à la sonication), à quelques exceptions près [4], se limitent généralement à l'obtention de couches microcristallines avec un rapport d'aspect moyen de 500:1. À son tour, cela limite le transfert ultérieur, du laboratoire à l'usine, de couches MOF 2D multifonctionnelles pour divers domaines d'application.
[1] a) Y. Liu, X. Duan, H.-J. Shin, S. Park, Y. Huang, X. Duan, Nature 2021, 591, 43; b) Y. Liu, Y. Huang, X. Duan, Nature 2019, 567, 323–333; c) S. Das, A. Sebastian, E. Pop, C. J. McClellan, A. D. Franklin, T. Grasser, T. Knobloch, Y. Illarionov, A. V. Penumatcha, J. Appenzeller, Z. Chen, W. Zhu, I. Asselberghs, L.-J. Li, U. E. Avci, N. Bhat, T. D. Anthopoulos, R. Singh, Nature Electron. 2021, 4, 786–799.
[2] a) A. Chaves, J. G. Azadani, H. Alsalman, D. R. da Costa, R. Frisenda, A. J. Chaves, S. H. Song, Y. D. Kim, D. He, J. Zhou, npj 2D Mater. Appl. 2020, 4, 1; b) M. Velický, P. S. Toth, Appl. Mater. Today 2017, 8, 68.
[3] a) Z. F. Wang, N. Su, F. Liu, Nano Lett. 2013, 13, 2842; b) Y.-W. Zhao, L.-E. Guo, F.-Q. Zhang, J. Yao, X.-M. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 20821; c) L. Han, D. Zheng, S. Chen, H. Zheng, J. Ma, Small 2018, 14, 1703873; d) K. Pei, S. Ji, M. Zhao, C. Li, P. Luo, L. Jiang, Y. Zhao, T. Zhai, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2106160; e) D. Kottilil, M. Gupta, S. Lu, A. Babusenan, W. Ji, Adv. Mater. 2023, 35, 2209094; f) A. M. Evans, A. Giri, V. K. Sangwan, S. Xun, M. Bartnof, C. G. Torres Castanedo, H. B. Balch, M. S. Rahn, N. P. Bradshaw, E. Vitaku, Nat. Mater. 2021, 20, 1142; g) J. Nicks, K. Sasitharan, R. R. R. Prasad, D. J. Ashworth, J. A. Foster, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2103723; h) N. Shi, J. Zhang, Z. Ding, H. Jiang, Y. Yan, D. Gu, W. Li, M. Yi, F. Huang, S. Chen, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110784; i) M. Cao, C. Zhang, Z. Cai, C. Xiao, X. Chen, K. Yi, Y. Yang, Y. Lu, D. Wei, Nature Commun. 2019, 10, 756; j) J. López-Cabrelles, S. Mañas-Valero, I. J. Vitórica-Yrezábal, M. Šiškins, M. Lee, P. G. Steeneken, H. S. J. van der Zant, G. Minguez Espallargas, E. Coronado, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18502; k) R. Dong, M. Pfeffermann, H. Liang, Z. Zheng, X. Zhu, J. Zhang, X. Feng, Angew. Chemie Int. Ed. 2015, 54, 12058; l) D. Yang, S. Zuo, H. Yang, Y. Zhou, Q. Lu, X. Wang, Adv. Mater. 2022, 34, 2107293; m) T. Rodenas, I. Luz, G. Prieto, B. Seoane, H. Miro, A. Corma, F. Kapteijn, F. X. Llabrés i Xamena, J. Gascon, Nat. Mater. 2015, 14, 48; n) X. Li, H.-S. Xu, K. Leng, S. W. Chee, X. Zhao, N. Jain, H. Xu, J. Qiao, Q. Gao, I.-H. Park, S. Y. Quek, U. Mirsaidov, K. P. Loh, Nature Chem. 2020, 12, 1115–1122.
[4] a) J. Shen, Y. Cai, C. Zhang, W. Wei, C. Chen, L. Liu, K. Yang, Y. Ma, Y. Wang, C.-C. Tseng, Nat. Mater. 2022, 21, 1183; b) J. Dong, L. Liu, C. Tan, Q. Xu, J. Zhang, Z. Qiao, D. Chu, Y. Liu, Q. Zhang, J. Jiang, Nature 2022, 602, 606; c) Y. Shen, B. Shan, H. Cai, Y. Qin, A. Agarwal, D. B. Trivedi, B. Chen, L. Liu, H. Zhuang, B. Mu, Adv. Mater. 2018, 30, 1802497; d) X. Wang, C. Chi, K. Zhang, Y. Qian, K. M. Gupta, Z. Kang, J. Jiang, D. Zhao, Nat. Commun. 2017, 8, 1; e) B. Wang, N. Wang, X. Li, R. Zhou, W. Xing, J. Memb. Sci. 2022, 645, 120177; f) J. López-Cabrelles, S. Mañas-Valero, I. J. Vitórica-Yrezábal, P. J. Bereciartua, J. A. Rodríguez-Velamazán, J. C. Waerenborgh, B. J. C. Vieira, D. Davidovikj, P. G. Steeneken, H. S. J. van der Zant, Nat. Chem. 2018, 10, 1001.

Contexte de travail

L’Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l’Université de Lorraine. Il est rattaché à l’Institut de Chimie du CNRS. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
L'IJL compte 263 permanents (30 chercheurs, 134 enseignants-chercheurs, 99 IT-BIATSS) et 394 non-permanents (182 doctorants, 62 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 150 stagiaires), de 45 nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays.
Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus ARTEM à Nancy.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

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