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LAURA (L) : Aujourd’hui, nous poursuivons notre immersion au cœur du C2N. Au quotidien, ils travaillent sur les semi-conducteurs, des composants essentiels à l’électronique moderne. Mais ces compétences l’amènent aussi à collaborer avec des acteurs du patrimoine comme le musée du Louvre.

Une rencontre qui nous rappelle qu’un métier peut parfois relier des univers que tout semble opposer. Notre invité est Gilles Patriache, chercheur au CNRS. Bonjour Gilles.

GILLES (G) : Bonjour.

SARA(S) : Bienvenue sur PodTaf. Gilles, dis-nous quel est l’intitulé de ton métier ?

G : Bien, je suis chercheur au CNRS et je travaille essentiellement en microscopie électronique en transmission sur des matériaux opto et nano, nanoélectroniques. Mon travail, c’est de comprendre les structures à l’échelle nanométrique, en fait. Et j’essaie de comprendre les mécanismes de croissance ou de caractériser leur nature chimique et structurelle.

S : À quoi ça sert de faire ça ?

G : Alors, si c’est pour l’optoélectronique, c’est pour contrôler les propriétés de futures composantes. Parce que le matériau est la base du composant et la maîtrise du matériau permet d’obtenir les composants qu’on souhaite obtenir. Si c’est des structures laser, en termes de longueur d’onde, si c’est des détecteurs, eh bien sur les gammes de détection qu’on souhaite réaliser ou obtenir.

L : Alors, est-ce qu’on peut essayer d’illustrer encore plus simplement ? Donc, tu utilises des microscopes qui grossissent énormément. Et qu’est-ce que tu grossis ?

G : Dès que la matière est condensée et solide, en fait, on peut l’étudier. Alors évidemment, tout n’est pas d’intérêt. Au laboratoire, on fabrique nos échantillons. Alors ça peut être des échantillons avec des couches minces. Ça peut être aussi des nanostructures qui sont réalisées en phase liquide, qu’on va directement caractériser. Et donc l’idée, c’est de connaître le mieux possible, les empilements, les natures des éléments qui constituent en fait ces nanostructures, ces nano-objets.

Donc dans les trois directions de l’espace, à la fois les empilements qui ont été réalisés, la nature chimique des éléments qui constituent ces objets et les défauts. Il peut y avoir des défauts structuraux, qu’on appelle des dislocations par exemple, enfin donc des défauts qui vont perturber les performances de nos composants futurs.

S : Et alors toi, tu travailles en équipe, on t’apporte des échantillons de matière que tu vas venir analyser ?

G : Oui, en particulier, oui, oui. Je suis forcément en collaboration avec les gens à l’origine de la synthèse, de la fabrication.

Alors, synthèse, c’est plus chimique, fabrication, c’est plus des processus de dépôt, qu’on appelle épitaxe- épitaxique et épitaxial, sur des wafers, des galettes, dont les couches actives, en fait, vont être déposées. Ça peut aller du micron au nanomètre, à une couche atomique même, ultime. Et donc il y a besoin d’en connaître la structure et les compositions à chaque étage.

Celui qui a voulu faire l’épitaxie, avait un schéma, une structure visée. Et on va commencer par regarder si ce qu’il a fabriqué est proche ou loin de la structure visée. Ça peut être par exemple, si c’est une structure laser, c’est une longueur d’onde. Et pour avoir une longueur d’onde, il faut un empilement qui soit très précis en termes d’épaisseur et de composition. Il y a plusieurs couches qui ont des compositions différentes pour pouvoir avoir un effet laser. Et si on ne les respecte pas, soit on n’aura pas d’effet laser, on ne va pas mettre de la lumière, soit on aura une longueur d’onde qui ne sera pas la bonne. C’est compliqué parce que c’est multi paramétré. Et quand je dis multi paramétré, c’est des dizaines, voire des centaines de paramètres. Donc, on ne peut pas y aller au hasard. Si on n’a pas le résultat visé, c’est fini. Donc la microscopie, ça permet de connaître très précisément les épaisseurs des couches utilisées et leur composition chimique et les gradients entre les différentes couches. Et de tout ça, en fait, va découler le fait qu’on réalise ou pas, le composant visé.

S : OK. Ce n’est pas si simple quand même ce que tu fais. Est-ce que pour illustrer, tu pourrais nous raconter genre de A à Z, la vie d’un échantillon.

G : Donc on travaille ici beaucoup dans l’optoélectronique. Donc ça peut être des émetteurs, ou des détecteurs, des caméras, pour faire des caméras, par exemple, infrarouges. Et là, pour le coup, il y a des séquences de matériaux déposés qui doivent être bien maîtrisées en termes d’épaisseur, de composition, d’alternance. Et donc, la microscopie va permettre de vérifier la réalité de ce que mon collègue épitaxeur a fabriqué, qui n’est peut-être pas ce qu’il visait, qui n’est souvent pas ce qu’il visait. Donc il y a besoin de connaître exactement ce qui a été fait pour pouvoir modifier la « recette », c’est-à-dire à s’approcher le plus possible, le mieux possible de la structure nominale visée, qui est celle qui va donner a priori le bon résultat.

S : Toi, tu as besoin de savoir l’objectif visé ou finalement pas tant que ça ?

G : Non. C’est mieux si je le sais, mais en fait le matériau qu’on me donne, il est ce qu’il est. Et après moi, je vais donner mon verdict en termes de composition des couches, de leur épaisseur. Je n’ai pas d’influence sur le résultat.

S : Donc toi, avec ton microscope, tu peux aller jusqu’à quelle échelle ?

G : On peut voir l’atome, individuel.

S : Alors comment tu expliques qu’on peut voir un atome ?

G : En fait, on a des électrons, on utilise un faisceau d’électrons. Inférieur à la distance entre deux atomes. C’est-à-dire que là, dans les microscopes, ceux que vous avez visités il y a une heure, la résolution, c’est en gros un Ångström. Et l’Ångström, c’est assez sensiblement inférieur aux distances entre deux atomes dans la matière condensée. Donc là, on dispose d’une sonde qui est plus petite que la distance entre deux atomes. Donc, on a tout pour pouvoir voir un atome.

L : Est-ce que tu pourrais nous décrire pour nos auditeurs qui n’ont pas vu ton microscope comment il est dans ton laboratoire, la taille qu’il a et comment il est à l’intérieur ?

G : Le microscope, il fait à peu près trois mètres de haut, typiquement. Alors pourquoi cette taille ? C’est parce qu’en fait les électrons, ça voyage sous vide. Sinon l’air les arrête. Donc il faut un dispositif, une colonne, qui est sous vide. L’échantillon est mis au niveau de la lentille, de l’objectif. Alors il faut mettre en forme le faisceau. Il y a une dizaine, une douzaine de lentilles électromagnétiques. C’est des bobines, des lentilles électromagnétiques avec un nombre de spires important, avec des courants qui traversent les spires qui sont de plusieurs ampères.

Donc ça chauffe. Donc on a de l’eau qui refroidit nos lentilles. Quand les électrons sont accélérés à deux cents kilos électrons-volts, quand ils vont s’arrêter, et ils vont forcément s’arrêter à un moment donné, soit dans l’échantillon, soit ailleurs, ils vont émettre des rayons X, des photons X très durs.

Donc, on a un blindage extérieur qui va arrêter les photons X. Donc en fait tout ça, à la fois la taille des lentilles, le fait qu’ils sont refroidis, le vide, les pompes, le blindage fait que ces microscopes, ils font six, sept cents kilos et trois mètres de haut.

S : Peux-tu nous expliquer ce que tu fais dans ta journée ?

G : Moi, pour le coup, je pratique essentiellement la microscopie en transmission. Donc j’ai des collaborations à l’intérieur du laboratoire, mais aussi à l’extérieur du laboratoire. Ce qui permet d’avoir quand même une activité assez variée, de ne pas faire toujours la même chose.

J’ai des sujets d’étude, parce que je suis quand même chercheur CNRS, donc je dois produire des résultats scientifiques. Alors, ça ne peut être pas tout seul forcément, c’est en collaboration avec mes collègues. Mais le but quand même, c’est de faire progresser la science à un moment donné. Donc, on essaie de comprendre comment la matière est faite, comment synthétiser des choses, comment comprendre les mécanismes de croissance, par exemple. On a pu faire pousser des nanostructures dans un microscope et regarder en direct la croissance de nanostructures.

L : Attends, est-ce que tu peux nous réexpliquer la croissance, comment ça pousse ?

G : Alors, vous avez compris qu’on travaillait beaucoup sur les matériaux trois cinq. Alors le tableau périodique, c’est les éléments… 

L : Voilà. 

G : … qui constituent la matière condensée. Alors la microélectronique, c’est beaucoup silicium-germanium, ce qu’on appelle la colonne quatre des éléments. L’optoélectronique pour faire de la lumière ou pour détecter de la lumière, c’est la colonne trois et cinq. Colonne trois, c’est aluminium, gallium, indium. La colonne cinq, c’est phosphore, arsenic, antimoine. Donc nos matériaux à nous, ils sont fabriqués [à partir] d’éléments de la colonne trois et de la colonne cinq, avec un rapport de un entre les deux.

Après, justement, en jouant sur les compositions, eh bien, on va changer les propriétés d’émission ou détection de ces objets qui peuvent être nanos ou pas. Donc dans ce microscope, qui est installé à l’École polytechnique, on a pu faire de la croissance de ce qu’on appelle des nanofils, qui est un objet nano, en direct dans le microscope, en envoyant des flux de matière là où on regarde en microscopie.

On bénéficie à la fois de la croissance qui se fait dans le microscope, mais aussi du faisceau d’électrons qui nous permet de voir en direct comment ça pousse.

L : Quand vous dites comment ça pousse, c’est comme s’il y avait– tu mets des éléments ensemble et en direct, tu arrives à observer quelque chose qui a une réaction chimique ou physique ?

G : Ouais, c’est ça. Et là, donc on reconstitue un cristal, un nanocristal. Alors nano veut dire qu’il est petit, mais ça veut dire qu’il est quand même organisé dans les trois directions de l’espace. Et alors, ces nanofils ont un catalyseur physique qui est une bille d’or en fait au départ, qui va permettre en fait de capter les éléments qu’on lui envoie, élément trois, élément cinq, et puis synthétiser un cristal.

Un cristal de semi-conducteur. Alors ça se fait dans plein de laboratoires, dans des machines d’épitaxie depuis quinze, vingt ans. Et nous, on a fait la même chose, mais pas dans une machine d’épitaxie, dans un microscope électronique en transmission. Pour le coup, de manière à pouvoir voir en direct, in situ, la croissance se faire. Et l’intérêt, c’est d’encore mieux contrôler ton objet parce que tu peux en direct changer les conditions de croissance : température, flux des matériaux, changer les matériaux.

S : Est-ce qu’on peut revenir à une leçon de physique, très basique… 

G : Oui 

S : …faite au collège ? C’est quoi cette histoire de trois points dans l’espace ?

G : Un cristal, c’est des atomes qui s’empilent d’une façon homogène et régulière dans les trois directions de l’espace. Alors, il y a des empilements plus ou moins complexes. C’est un peu comme des boîtes à œufs que vous empilez les unes sur les autres. Voilà, les cristaux, c’est ça. Vous voyez les boîtes à œufs avec des formes. Et il y a une façon, si vous pouvez les empiler, vous mettez autant que vous voulez et c’est régulier quoi.

S : Et ça ira toujours dans trois directions à la fois.

G : Ouais. Voilà. 

S : Je sais à peu près ça.

G : Il y a besoin de ça pour avoir de bonnes propriétés pour nos composants optoélectroniques. Si tu avais quelque chose qu’on appelle polycristallin, c’est-à-dire plusieurs cristaux, des organisations à petite distance, eh bien, entre les deux cristaux, il y a ce qu’on appelle un joint de grain. Et ça, ça va créer beaucoup de perturbations pour l’utilisation des composants électroniques. Souvent, c’est des lieux où les électrons se perdent, sont absorbés. On ne veut pas ça. On ne veut pas perdre du courant, on ne veut pas perdre du signal. Et le monocristal est ce qu’il y a de plus pur pour les propriétés optoélectroniques de ces structures. Ils sont nécessaires, en fait.

S : Comment en es-tu arrivé à faire ça aujourd’hui ?

G : J’ai fait l’école d’ingénieurs. Alors c’était à Caen, c’était l’ISMRA, Institut des sciences de la matière et du rayonnement, l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Caen.

Et en fait, ce qui m’a plu, c’était la science, la physique des matériaux, la science des matériaux, la métallurgie. J’avais fait beaucoup de métallurgie. Et puis j’ai découvert la microscopie électronique, en troisième année d’école d’ingénieur. C’était Marie DEMANDER CONFIRMATION DU NOM Vonervieux, qui était microscopiste de Caen. Et puis je suis parti dans le laboratoire de microscopie électronique de Rhône-Poulenc à Aubervilliers.

S : Donc tu as baigné dans la microscopie depuis bien longtemps.

G : Depuis mon école d’ingé, oui.

L : Et donc quel était le sujet de ta thèse ?

G : Eh bien, c’était l’étude des défauts dans les couches épitaxiées de semi-conducteurs, de six et déposées, enfin épitaxiées sur GaAs [arséniure de gallium]. Donc pas très loin de ce que je continue à faire en fait.

L : Donc c’est pour ça que tu es aussi calé aussi pour voir s’il y a un défaut, tu sais …

G : Ah bah ça… 

L : Tu le vois tout de suite toi.

G : Je suis un spécialiste des défauts, des dislocations au microscope électronique quand même.

L : Moi j’ai une petite question qui sort un peu des sciences, mais finalement qui revient dans les sciences. J’ai entendu parler que tu avais travaillé sur un projet avec le Louvre. 

G : Oui oui. 

L : Sur des œuvres du patrimoine. J’aimerais savoir quel est le lien entre tes recherches actuelles et ce partenariat. Ça paraît un peu insolite.

G : Non non parce qu’en fait, moi, je fais de la physique des matériaux, de la métallurgie des semi-conducteurs, mais ça peut être de la métallurgie sur des aciers. Et donc en fait, les techniques qu’on utilise, que je vous ai montrées là, on peut très très bien les utiliser sur des matériaux antiques ou anciens de la même façon. Donc c’est de la science des matériaux. Que le matériau ait deux mille ans ou ait été fabriqué il y a trois jours. En fait, si on veut voir des défauts, des dislocations, des inclusions chimiques, quelle est la nature de l’inclusion, la composition de l’inclusion, on va utiliser les mêmes instruments de préparation, les coupes FIB [Focused Ion Beam] ou d’autres, et d’observation.

Donc, travailler sur des matériaux du patrimoine, ce n’est pas si différent de travailler… Alors ce n’est pas tout à fait vrai ce que je dis. En fait c’est beaucoup plus foisonnant à partir du patrimoine.   Vous avez vu que les semi-conducteurs, en fait, c’est extrêmement contrôlé.

S : Mmm-hmm.

G : Sélectionner la zone, c’est relativement aisé en fait. Alors que les matériaux du patrimoine… Moi, j’ai travaillé sur des pigments chinois anciens. Donc il y a la sélection, c’est très hétérogène. C’est des synthèses qui ne sont pas contrôlées, qui n’étaient pas contrôlées à l’époque. On a beaucoup travaillé avec mon collègue Philippe Walter du LAMS, c’est le Laboratoire d’Archéologie Moléculaire et Structurale, sur des pigments chinois en fait, qui dataient du IIe siècle avant Jésus-Christ. C’est un oxyde de baryum et de cuivre qui va donner un pigment bleu, en fait. C’est le pigment qui est utilisé pour les teintures des armures de l’armée enfouie de l’empereur Qin. Donc vous avez des couleurs très très bleues qui étaient utilisées. Et donc Philippe a voulu beaucoup travailler sur quelles étaient les méthodes de synthèse. Il avait une thésarde qui a travaillé avec lui là-dessus, pour reproduire les synthèses et comprendre quelle était l’origine des minerais qui ont donné ce pigment, en fait. Donc quels étaient les processus et procédés utilisés à l’époque pour arriver au pigment.

C’est un pigment qui a été redécouvert au XIXe siècle. La recette avait été perdue et donc il a été resynthétisé au XIXe siècle, assez récemment finalement. Et donc on n’a pas de recette écrite sur les procédés de synthèse, utilisés il y a 2 200 ans. Grâce aux archéologues chinois, on a récupéré des artefacts, des morceaux de céramique. Et comme je le fais sur des matériaux semi-conducteurs, on a fait des coupes FIB. On a regardé ce qu’il y avait dedans. Alors, on a retrouvé les pigments qui étaient des petites billes, des boules, qui après étaient broyées. Et donc, dans cette boule, effectivement, on a retrouvé le cristal qui va donner la couleur bleue, mais il y avait plein d’autres choses.

Et ces plein d’autres choses, ça donne des informations sur, 1, ce que les artisans chinois avaient utilisé comme minerai pour arriver à la synthèse, mais 2, également les processus de synthèse, de température. Est-ce que ce milieu était suffisamment oxydant ou pas ? Et parce que nos gros cristaux avaient plein d’inclusions, elles nous renseignent sur comment la synthèse a été obtenue.

S : Est-ce que tu as pu faire un travail de recherche patrimoniale, en France, peut-être ?

G : On commence seulement hein. Sur la grotte Chauvet, par exemple, sur le carbone. Alors, la grotte Chauvet, c’est un milieu qui s’est fermé il y a moins vingt-quatre mille ans. Le tunnel d’accès à la grotte s’est effondré. Donc tout a été préservé, y compris les foyers qui étaient utilisés par les hommes de l’époque. Le charbon de bois au sol, qui servait à les éclairer ou à les chauffer. Et toujours avec Philippe Walter, on a un travail sur la nature du carbone, pour dessiner sur les parois. Est-il le même ou différemment traité de celui récupéré dans les foyers ?

S : Quelle information ça nous donnerait ?

G : Est-ce que le charbon était simplement du charbon de bois standard récupéré sur un foyer ou est-ce qu’il y avait un traitement spécial, qui permettait de mieux dessiner, par exemple.

S : C’est chouette parce que du coup, quand tu as des projets annexes en dehors du laboratoire, finalement, tu te plonges dans un univers complètement nouveau.

G : Oui.

L : Quelle a été ta première impression quand tu as mis les pieds dans ce laboratoire ?

G : On est arrivés dans les tout premiers. C’est un bâtiment géant, vous avez vu. Alors se retrouver tout seul ou quasi, à errer dans les couloirs … surtout qu’au début, toutes les portes étaient fermées. Il n’y avait rien pour …

S : Le labyrinthe infernal.

G : C’était complètement infernal.

L : Est-ce que tu étais impressionné par les locaux ?

G : Honnêtement, le bâtiment est très fonctionnel et très agréable à vivre.

S : Tu as un métier quand même qui est très intellectuel. Comment tu relâches la pression, quand tu es chez toi ? Est-ce que tu as des hobbies ? Est-ce que tu as… 

G : Oui. 

S : Qu’est-ce que tu fais quand tu n’es pas en train de réfléchir à tes échantillons, au microscope ? 

G : Ouais, alors bon, c’est quand même un métier passion, chercheur au CNRS. Donc tu es quand même beaucoup, beaucoup pris par ça, quoi. C’est un métier passion, donc tu es à fond et tu y penses tout le temps, fatalement. Alors je ne fais pas que ça, qu’est-ce que j’aime bien faire d’autre ? Il y a plein de choses. J’aime beaucoup lire, donc je lis beaucoup. Par contre, comment dire ? Je ne lis pas de trucs scientifiques, en dehors de mon travail.

S : Tu décroches, quoi. 

G : Beaucoup les auteurs japonais, par exemple, Kawabata.

L : Comment tu fais pour décompresser ? Est-ce que tu te sens stressé dans ton travail parfois ?

G : Non, non, je suis très bien où je suis. 

S : Oh ! Ça, c’est le luxe ! 

G : Et je l’ai toujours été en fait.

S : Mais tu te rends compte comment tu es chanceux quand même ? 

G : Ouais, je sais. 

S : Parce que des gens qui aiment ce qu’ils font, déjà c’est rare, mais en plus qui, tout leur parcours, ont kiffé leur life.

G : Ah oui, complètement. Mais je suis extrêmement… et en plus, je suis payé pour ce que je fais. C’est quand même génial quoi.

S : Que recommanderais-tu à une jeune ou un jeune qui aimerait se lancer là-dedans, mais qui se dit : « Oh là là, pff, il y a tellement peu de place, la galère » ?

G : Ça, c’est vrai. C’est un peu compliqué. Faut reconnaître, les postes permanents, c’est compliqué. Ça, c’est sûr. Moi, ça ne m’a jamais arrêté. Avant d’avoir un poste permanent, j’ai mis du temps quand même. J’ai quand même eu quatre, cinq ans avec des postes précaires. Mais ça fait un peu partie, malheureusement, du parcours. Enfin, cette difficulté à trouver un poste permanent dans le milieu académique, c’est difficile d’y échapper, à mon avis.

S : Il faut s’accrocher.

G : Ouais.

S : Et comment tu partages avec ta famille ou tes potes, ce que tu fais ? Ou est-ce que tu ne partages pas ? 

G : C’est difficile. Ouais. C’est super difficile.

L : Aujourd’hui, on a découvert que le même regard capable d’observer l’infiniment petit peut aussi contribuer à préserver les plus grands trésors de notre histoire. Merci Gilles de nous avoir montré que la science construit non seulement le monde de demain, mais également, elle aide aussi à transmettre celui d’hier.

G : Merci beaucoup à vous.

L & S : Merci Gilles. 

G : Pour cette interview. 

S : C’était trop bien. 

G : C’était très bien.