Séminaire Théorie et Simulation : Jean-Marc SIMON « Chemically constrained systems: New perspectives from nanothermodynamics »

DATE : Lundi 04 Décembre 2017 à 14h00
Salle 120 – Bat 11E

Intervenant : Jean-Marc Simon
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne,
Université de Bourgogne Franche Comté

Small systems cannot be described by classical thermodynamics. One reason is that the
surface area becomes important, in contrast to the case for systems in the thermodynamic
limit. The increased experimental interest in nanosized systems, has created a demand on the
theoretical side. Our aim has been to find a systematic description of the thermodynamic
properties of small systems; their size and shape-dependence in particular. Thereby we hope
to improve the understanding and modeling ability of such systems. The thermodynamics of
small systems (also called nanothermodynamics) was first developed by T. L. Hill [1] in the
sixties. It gives a general background to systematically express thermodynamic properties in
terms of system size [2]. During the last 5 years we applied this approach to the analysis of
molecular dynamics simulations and we developed new efficient tools to compute
thermodynamic properties like partial molar quantities that can be hardly accessible by other
methods. The method was tested on different system types: Lennard-Jones mixtures, ternary
molecular systems, reactive mixtures (2H=H2), CO adsorbed on graphite, … These results
validate the use of the thermodynamics of small systems for molecular systems and clearly
show that they are consistent both with the Kirkwood-Buff approach [3, 4] and Gibbs’
thermodynamics for a surface. Beyond the application to molecular simulated data, this new
approach opens new ways to study systems were the individual particle sizes are large
compared to the system size.
During the presentation I will present the way we applied nanothermodynamics for the
benefit of the analysis of molecular simulations, and I will put a focus on the analysis of
chemically constrained systems.
[1] T. L. Hill. Thermodynamics of small systems. Part 1, Benjamin, New York, 1963

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Récompense pour Merwan MOKHTARI lors de la « 18ème Conférence canadienne sur la science et la nanotechnologie de semi-conducteurs »

Le congrès intitulé Canadian Semiconductor Science and Technology Conference avait lieu cette année du 20 au 24 août 2017 à Waterloo (Ontario, Canada). Cette conférence réunit tous les 2 ans les chercheurs canadiens du domaine, avec des conférenciers invités renommés internationaux.

Lors de ce CongrèsMerwan MOKHTARI, doctorant CIFRE à l’IPR (département Matériaux-nanosciences), a obtenu le prix de la meilleure présentation de poster.


The Conference will cover the general area of the growth, characterization, processing and application of semiconductor materials and devices, including but not restricted to fundamental problems, epitaxy, photonics and more.


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Séminaire A. TURCHI : Density Functional Theory and Thermodynamics Applied to Complex Materials – Is there still a need for Ab Initio-aided alloy theory?

DATE : 19 juin 2017 – 11h00
              Pièce 007 – RdC du Bât 10B ISCR

Intervenant : A. Turchi,
Lawrence Livermore National Laboratory, P. O. Box 808, Livermore, CA 94551, USA

 Ab initio methodologies provide, despite limitations that will be briefly commented on, fundamental insight on materials behavior and properties. This will be illustrated with a few ab initio-based predictions on phase stability, ordering trends, and thermodynamic properties. Examples will include the case of FeSi2, and of bcc-based transition metal alloys. In addition, ab initio output plays an important role in supplementing in two ways CALPHAD that is the most versatile and preferred method for assessing the thermodynamics of complex multi-component alloys: either by direct input of ab initio energetics in thermodynamic databases, or, more challenging, by assessing ab initio-based thermodynamics à la CALPHAD. These two applications will be briefly discussed in the context of phase diagram determination for selected transition metal and actinide-based alloys. Finally, a few comments on prospects in the alloy theory field, of critical importance for advancing our fundamental knowledge of materials performance, will conclude this presentation.

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Séminaire Théorie et Simulation : Laurent JOLY « Molecular views on surface-driven flows »

DATE : 23 Mai 2017 à 14h00
Salle 120 – IPR

Intervenant : Laurent JOLY / Institut Lumière Matière – Université Lyon 1

Surface-driven flows (also called osmotic flows) are generated at interfaces by various thermodynamic gradients (e.g. electric potential gradient: electro-osmosis, solute concentration gradient: diffusio-osmosis, temperature gradient: thermos-osmosis). They represent powerful tools to manipulate liquids in micro and nanofluidic systems, and play a key role in living systems, in sustainable energies, or in water treatment and desalination processes. Osmotic flows arise from the coupling between hydrodynamics and liquid-wall interactions in the nanometric vicinity of the interface, and yet standard descriptions are usually based on continuum models and liquid-wall interactions only. During this talk I will illustrate with recent work how molecular dynamics simulations can be used to investigate the mechanisms underlying surface-driven flow, and in particular to explore the role of interfacial hydrodynamics.

[1] L. Joly, F. Detcheverry, A.-L. Biance: “Anomalous zeta potential in foam films”, Phys. Rev. Lett. 113, 088301 (2014) [2] A. Barbosa de Lima, L. Joly, “Electro-osmosis at surfactant-laden liquid-gas interfaces: beyond standard models”, Soft Matter, Advance article (2017) [3] C. Lee, C. Cottin-Bizonne, R. Fulcrand, L. Joly, C. Ybert: “Nanoscale Dynamics versus Surface Interactions: What Dictates Osmotic Transport”, J. Phys. Chem. Lett. 8, 478 (2017) [4] L. Fu, S. Merabia, L. Joly, in preparation

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Offre de Thèse / PhD positions at the Materials and Light Department

University of Rennes 1, France
(starting Autumn 2017)

Two 3-year PhD fellowships are available at the Physics Institute of University Rennes 1, France. The research activity of the hosting group, Materials and Light Department, is focused on photoinduced phase transitions and their multiscale dynamics in molecular materials of which functionalities (magnetic susceptibility, electric conductivity, both) are controllable by external stimuli, such as light, electric and elastic fields. We investigate photoswitching mechanisms by using the following femtosecond techniques:

# X-ray scattering and X-ray diffraction (at synchrotrons and XFELs)
# X-ray absorption (at XFELs)
# Ultrafast UV/VIS/IR spectroscopy (in house lab)

Successful candidates will work in the ultrafast spectroscopy laboratory and participate in experimental campaigns on large facilities around the world. The group is currently setting out on two major projects, one funded by the National Research Agency and the other operated within France-Japan International Laboratory, which the thesis will be directly connected to. The former aims at controlling the photoinduced elastic cooperativity in bi-stable volume-changing materials, and will provide with opportunities to learn techniques other than those developed in Rennes, such as shock waves and pulsed electric fields. The latter aims at exploring new materials with various ultrafast techniques and will be partially carried out at the University of Tokyo. Our team is young and dynamic, a third being foreign, English is the working language.

The scholarships include full social security coverage and competitive salaries. Students have no teaching obligations. The University offers French courses for foreigners and hosts an international Erasmus Mundus program.

Students should obtain their PhD degree within the 3 years of the financial support (before Oct 2020).

Rennes is a medium size French city less two 2 hours away from Paris, offering a relaxing lifestyle with many cultural and sport activities.


# M.Sc. degree in physics
# Good understanding of Physics
# Good experimental skills
# Good team player
# Be ready to start in October/November 2017 time frame

Prior hands-on experience with diffraction and/or laser spectroscopy will be a strong asset

Selected Publications of the group:

# Phys. Rev. Lett. 103, 028301 (2009)
# Phys. Rev. Lett. 105, 246101 (2010)
# Phys. Rev. Lett. 109, 257206 (2012)
# Angew. Chemie, 124, 7603 (2012)
# Nature Photonics 7, 215 (2013)
# Phys. Rev. Lett. 113, 227402 (2014)
# Nature Materials 15, 606 (2016)
# Chem Science. Accepted (2017)
# Nature Communications. Accepter (2017)

Interested candidates are encouraged to contact:

  • Prof. Eric Collet (
  • Dr Marco Cammarata (
  • Dr Maciej Lorenc (

Further information:


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Séminaire Théorie et Simulation: Patrice Malfreyt « Simulation moléculaire des interfaces »

DATE : le vendredi 28 avril 2017 à 14h en salle 50 (bat. 11B)

Les premières simulations de systèmes interfaciaux ont débuté en 1974 sur une interface plane de fluide Lennard-Jones (LJ). En 2017, des travaux sont encore publiés sur la méthodologie de simulation des interfaces planes. Il a fallu attendre plus de quarante ans et l’arrivée de calculs intensifs pour mettre au point les protocoles de simulations de systèmes hétérogènes.

Des illustrations de quelques effets de dépendances du calcul de la tension superficielle de fluide Lennard-Jones vous seront présentées (effets de taille, de troncature, importance des corrections à longue distance due à la troncature du potentiel, potentiel à deux corps) sur des interfaces liquide vapeur de corps purs. Quelle est la température maximale que l’on peut simuler proche du point critique avec des méthodes qui modélisent l’interface ? La réponse à cette question passe par le développement de simulations de tailles de systèmes importantes. On peut désormais apporter une réponse et approcher le point critique, zone où l’interface fluctue énormément. Des exemples de simulations vous seront présentées dans cette région critique.

Des simulations de systèmes binaires permettront de montrer le caractère prédictif de ces simulations sur la dépendance en pression de la tension interfaciale sur des systèmes eau-gaz acides, eau-alcanes, alcanes-gaz acides. Un potentiel polarisable a été testé sur la capacité à rendre compte de l’évolution de la tension interfaciale de solutions saline en concentration de sels. 

On complétera cette présentation sur le calcul de la tension superficielle d’interfaces cylindriques et sur l’utilisation de potentiels gros grains pour la modélisation d’interfaces plus complexes de type eau-huile-tensio-actifs.

Intervenant :
Patrice Malfreyt, Professeur à l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF UMR CNRS 6296)


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Séminaire Roman BERTONI : Experiment triggered by theory vs Theory triggering experiment.

DATE : 24 avril 2017 à 14h00 – Salle 120

The interaction between experimental physics and theory is rather complex, but when in gear they can open up entire research fields. I will discuss two opposite cases of scientific work where theory and experiment were interacting and showing that scientific coherence can emerge from these duals works. In the first case, the experiment was performed as a verification of a complex ab-initio modelization. Indeed, time resolved electron diffraction was used to investigate the complex electron lattice interactions in metals and compared the extracted values to the ab-initio calculations. In the second case, simulation was used to support an experimental result. We recently demonstrate the occurrence of self-amplification in prototypical molecular materials upon photo-excitation. Thanks to a recently developed Monte-Carlo model solving mechano-elastic interactions, the main experimental result was reproduced leading to the clear identification of the main parameters at play.

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Respiration d’un matériau poreux induite par l’application d’un champ électrique : Application à la séparation complète de gaz.

Les matériaux de type Metal-Organic Frameworks (MOFs) sont des matériaux poreux présentant des pores nanométriques. Parmi l’ensemble de leurs propriétés physico-chimiques leur flexibilité est celle qui leur confère une caractéristique physique unique. En effet, la modulation de la forme et de la taille des pores offre un terrain fondamental unique dans l’étude des transitions de phases et permet d’envisager de nouvelles approches en terme d’adsorption et de séparation de gaz [1].

La respiration (« breathing effect ») est probablement l’effet le plus spectaculaire de ces matériaux. Il s’agit d’une transition structurale réversible induite par des stimuli externes et/où internes. Parmi ces matériaux la MIL-53 (Materials of Institut Lavoisier ; découvert pat G. Férey, médaille d’or du CNRS 2010) est celui qui a reçu le plus d’attention et il est à présent considéré comme étant un matériau modèle dans l’étude du processus de respiration [2]. La MIL-53(Cr) est capable de subir une contraction (forme fermée)/expansion (forme ouverte) réversible induite par adsorption de molécules, par la pression, par la température et par la lumière provoquant ainsi une variation de volume de l’ordre de 40% (voir Figure 1).
Bien que l’application d’un champ électrique soit bien connue pour induire des transitions de phases, ce stimulus n’a jamais été considéré dans l’étude du processus de respiration et de son application.
En utilisant une méthode développée récemment combinant simulations de type dynamique moléculaire et Monte Carlo dans l’ensemble osmotique [3] une équipe de physico-chimistes a montré pour, la première fois, que le processus de respiration dans la MIL-53(Cr) pouvait être induit par un champ électrique (Figure 1). Tandis qu’une hystérèse et une transition du premier ordre sont observées sur le matériau à vide la transition devient continue et sans hystérèse sous adsorption de CO2 et CH4. Par ailleurs, ces chercheurs ont démontré que la MIL-53(Cr) pouvait maintenir sa forme fermée durant l’adsorption entrainant une séparation complète de CO2 sur le CH4 par exclusion de taille. Ces transitions électriquement stimulables fournissent ainsi les bases de nouvelles applications dans les technologies de séparation et d’adsorption.

Figure 1 : Illustration de la transition de phase électriquement stimulable dans la MIL-53(Cr) en présence de CO2 et de CH4. Les formes ouverte (LP=large pore) et fermée (narrow pore) sont représentées.

[1] S. Krause et al., A pressure-amplifying framework material with negative gas adsorption transitions. Nature 2016, 532, 348−352.
[2] Serre et al. Very High Breathing effect in the First Nanoporous Chromium(III)-based Solids: MIL-53 or Cr(OH).O2C- C6H4-CO2. HO2C-C6H4-CO2Hx.H2Oy. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 13519−13526.
[3] Ghoufi, A.; Maurin, G. Hybrid Monte Carlo Simulations 458 Combined with a Phase MIxture Model to Predict the Structural Transitions of a Porous Metal-Organic Framework Material upon Adsorption of Guest molecules. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 6496.

A lire aussi :

Contact : Aziz GHOUFI, Dépt Matériaux Nanosciences, IPR (


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Retour sur la 31ème édition des Journées Surfaces et Interfaces

La 31ème édition des Journées Surfaces et Interfaces « JSI 2017 » s’est tenue à Rennes, sur le campus de Beaulieu, au Pôle Numérique Rennes Beaulieu, du 25 au 27 janvier 2017. Cette édition a été co-organisée par l’Institut de Physique de Rennes (IPR), l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR) et FOTON. Durant trois jours, environ 80 chercheurs, enseignants-chercheurs, doctorants et post-doctorants, ont pu assister à une quinzaine de conférences autour de thématiques variées telles que la matière molle, les matériaux 2D, la croissance de matériaux, les assemblages moléculaires ou encore sur des techniques de surface spécifiques à des environnements, et échanger autour d’une session posters. RDV l’année prochaine, pour les « JSI 2018 » qui auront lieu à Strasbourg !





Comité d’organisation :

Charles Cornet, FOTON, Rennes

Bruno Fabre, ISCR, Rennes

Nathalie Gicquiaux, IPR, Rennes

Sophie Guézo, IPR, Rennes

Jean-Christophe Le Breton, IPR, Rennes

Emmanuelle Robin, IPR, Rennes

Francine Solal, IPR, Rennes

Céline Thébault, IPR, Rennes

Pascal Turban, IPR, Rennes


Comité scientifique :

Philippe Allongue, PMC, Palaiseau

Pascal Andreazza, CRMD, Orléans

David Babonneau, Institut P’, Poitiers

Alessandro Coati, Synchrotron Soleil, Saint-Aubin

Nicolas Combe, CEMES, Toulouse

Geneviève Grenet, INL-ECL, Ecully

Sophie Guézo, IPR, Rennes

Emmanuelle Lacaze, INSP, Paris

Pierre Müller, CINaM, Marseille

Vincent Repain, MPQ, Paris

Nicolas Rougemaille, Institut Néel, Grenoble

Philippe Sonnet, IS2M, Mulhouse

Hervé Bulou, IPCMS Strasbourg

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Offre de Thèse : Ingénierie d’interface du silicium par des matériaux 2D

Directeurs de thèse : Jean-Christophe Le Breton
(Prof. Philippe Schieffer)

Contexte :
Au sein du département Matériaux-Nanosciences de l’IPR, ce projet s’inscrit dans la thématique « hétérostructures pour l’électronique de spin » de l’équipe de physique des surfaces et interfaces (EPSI). Le but est ici d’optimiser une interface Métal Ferromagnétique (FM)/Isolant (I)/Semiconducteur (SC) pour l’électronique de spin.
La spintronique est un domaine de la physique qui s’intéresse non plus seulement à la
charge de l’électron mais également à son spin. Au début des années 90, Datta et Das ont proposé un transistor de spin à effet de champ basé sur l’injection, la manipulation et la détection de courants polarisés en spin dans des structures à base de semiconducteur [1]. L’obstacle fondamental à la réalisation d’un tel dispositif est la grande différence de conductivité entre les métaux ferromagnétiques (FM) et les semiconducteurs (SC) qui rend inefficace l’injection d’électrons polarisés en spin depuis la source de spins (FM) vers le canal (SC). Une des voies pour contourner ce problème est d’intercaler une résistance dépendante du spin à l’interface FM/SC. La méthode la plus simple et la plus efficace pour introduire cette résistance dépendante du spin est d’intercaler une barrière tunnel isolante à l’interface FM/SC mais la valeur de cette résistance d’interface doit être extrêmement bien contrôlée [2] ce qui est particulièrement difficile avec les techniques de dépôt habituelles (MBE, sputtering, etc) qui créent une forte densité de défauts à l’interface.
Néanmoins, avec la découverte et l’isolation de cristaux à deux dimensions, une nouvelle classe d’hétérostructures est en train de voir le jour [3]. Ces « hétérostructures de Van der Waals » combinant des couches 2D interagissant peu entre elles présentent un potentiel important pour la spintronique.

Objectifs de la thèse :
Si les jonctions Graphène/Si sont très étudiées du fait de leur intérêt pour le photovoltaïque, les études portants sur les structures de type M/G/Si sont, elles, plus rare. Parmi celles-ci on note toutefois la démonstration d’injection de spin dans le silicium à travers une monocouche de graphène [4,5]. En effet, ce matériau présente une anisotropie de conductivité permettant de l’utiliser à la foi comme un semi-métal (dans le plan) mais aussi comme un isolant (perpendiculaire au plan). Ces études soulèvent néanmoins de nombreuses questions concernant la physico-chimie d’interface ou les mécanismes de transport et d’accumulation de spin. L’objectif de cette thèse est de répondre à ces questions afin de proposer des hétérostructures optimisées pour la spintronique.
Nous avons récemment montré par photoémission que l’intégration de graphène sur silicium hydrogéné permettait de conserver la passivation du semiconducteur même après dépôt d’une couche métallique. La densité d’états d’interface est alors réduite et la hauteur de barrière Schottky fortement diminuée [6,7]. Ces caractéristiques d’interface sont particulièrement adaptées à l’injection de spin dans les semiconducteurs car elles permettent de réduire la résistance d’interface tout en minimisant le transport séquentiel via des états de défaut où la polarisation en spin est perdue [8]. Par ailleurs, l’interaction avec le substrat étant faible, d’autres matériaux 2D pourraient être utilisés sans modifier fondamentalement la surface de Si.
Il s’agira donc de réaliser et caractériser les structures FM/2D/SC les mieux adaptées à la
spintronique. Nous développerons pour cela différentes méthodes de passivation du semiconducteur (hydrogénation, traitement au souffre, monocouche organique), le transfert de différents matériaux 2D ou empilements de matériaux 2D (graphène mono- ou multi-couche, Nitrure de Bore) ou encore différentes électrodes ferromagnétique (Fe, Co) afin de correspondre aux critères de Fert et Jaffres pour l’injection de spin à savoir un faible produit résistance-surface et un fort filtrage en spin.
Différentes méthodes de caractérisation seront réalisées afin de mettre en regard la physico-chimie d’interface, les mécanismes de transport électronique et les performances d’injections de spin. Des mesures d’accumulation de spin non locale (avec transport de spin dans le canal SC) [9] ou encore d’injection thermoélectrique de spin [10] pourront à terme être réalisées.

Moyens expérimentaux : Le(a) candidat(e) bénéficiera de l’ensemble du parc expérimental de l’équipe, proposant des outils de croissance sous ultra-vide, de caractérisation de surface (photoémission X et UV, microscopie à effet tunnel ou STM, AFM, spectroscopie Raman), de transport à l’échelle micrométrique (mesures I-V et C-V) et nanométrique (Microscopie à Emission d’Electrons Balistiques) et de caractérisation magnétique (effet Kerr magnéto-optique, BEMM, effet Hanle). L’approche proposée dans ce travail de thèse est originale, du fait de la combinaison du savoir-faire de l’équipe dans l’optimisation d’hétérostructures pour la spintronique et de ces différents moyens expérimentaux permettant une caractérisation multiéchelle des échantillons.

Collaborations : Des collaborations avec l’UMR mixte Thalès-CNRS (P. Seneor, J.-M.
Georges) ainsi qu’avec l’institut Jean Lamour de Nancy (Y. Lu) enrichiront les études de magnétotransport par des mesures à très basse température et fort champ. Des collaborations avec le GeePs à Palaiseau (S. Le Gall) ont démarré pour la caractérisation électrique locale de structures Métal/Graphène/Si. Des mesures de photoémission locale au synchrotron SOLEIL (ligne ANTARES, contact Marie-Carmen Asensio et Antonio Tejeda) seront, selon les systèmes élaborés, aussi envisagées.

Expertise et Complémentarité des encadrants:
Jean-Christophe Le Breton : magnéto-transport, lithographie, réalisation des échantillons.
Sophie Guézo : microscopie en champ proche.
Philippe Schieffer : Photoémission, transport.
Bibliographie :
[1] S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990).
[2] A. Fert and H. Jaffrès, Phys. Rev. B 64, 1 (2001).
[3] D. Jariwala, T. J. Marks, and M. C. Hersam, Nat. Mater. (2016).
[4] O. M. J. van ’t Erve, A. L. Friedman, E. Cobas, C. H. Li, a. T. Hanbicki, K. M. McCreary, J. T. Robinson, and
B. T. Jonker, J. Appl. Phys. 113, 17C502 (2013).
[5] O. M. J. van ’t Erve, A L. Friedman, E. Cobas, C. H. Li, J. T. Robinson, and B. T. Jonker, Nat. Nanotechnol. 7,
737 (2012).
[6] J. C. Le Breton, S. Tricot, G. Delhaye, B. Lépine, P. Turban, and P. Schieffer, Appl. Phys. Lett. 109, (2016).
[7] J. C. Le Breton, et al. en préparation (2017).
[8] M. Tran, H. Jaffrès, C. Deranlot, J.-M. George, a. Fert, a. Miard, and a. Lemaître, Phys. Rev. Lett. 102,
036601 (2009).
[9] X. Lou, C. Adelmann, S. a. Crooker, E. S. Garlid, J. Zhang, K. S. M. Reddy, S. D. Flexner, C. J. Palmstrøm, and
P. a. Crowell, Nat. Phys. 3, 197 (2007).
[10] J.-C. Le Breton, S. Sharma, H. Saito, S. Yuasa, and R. Jansen, Nature 475, 82 (2011).

Pour prendre contact, envoyer un CV, une lettre de motivation ainsi qu’une lettre de recommandation du responsable de sage de M2, à:
Contrat de thèse : 01/10/2017 au 01/10/ 2020
Domaines de M2 : Matériaux, Couches Minces, Nanosciences, Physique des Surfaces et Interfaces, Matière Condensée, Physique du solide

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