Matériaux 2D et oxydes métalliques pour des applications en détection SERS et en photocatalyse

Le Laboratoire de Chimie Physique – Approche Multi-échelles des Milieux Complexes est composé de chimistes et de physiciens, expérimentateurs et théoriciens. Nous travaillons ensemble pour mener des expériences, élaborer des modèles théoriques, établir des nouvelles méthodologies d’analyses et comprendre les milieux complexes à différentes échelles.

Nous étudions les milieux complexes à différentes échelles mésoscopique, nanoscopique, moléculaire et de leurs interfaces. Ces études ont des applications dans de nombreux domaines tels que l’énergie, l’environnement, la catalyse, la photocatalyse, la biodétection, la dépollution…

Description du stage :  

Les matériaux bidimensionnels (2D), tels que le disulfure de molybdène (MoS₂) et le disulfure de tungstène (WS₂), ainsi que certains oxydes métalliques à transition électronique comme le dioxyde de vanadium (VO₂), suscitent un intérêt croissant dans de nombreux domaines liés aux nanotechnologies. Leur structure lamellaire, leur forte surface spécifique et leurs propriétés électroniques/optique singulières en font des candidats prometteurs pour des applications variées : stockage de l’énergie dans les batteries et supercondensateurs, capteurs chimiques, dispositifs optoélectroniques, catalyse hétérogène, ou encore détection ultrasensible de molécules par effet Raman exalté de surface (SERS). "Les matériaux « 2D » encore appelés « Graphene-like » ou encore « Van der Waals » sont des matériaux constitués de feuillets monoatomiques ayant des interactions faibles entre eux.

Dans le cadre de ce stage, nous nous concentrerons spécifiquement sur l’étude de leur potentiel pour le SERS. Contrairement aux substrats métalliques classiques (Au, Ag) qui contribue à l’effet SERS par une augmentation du champ électromagnétique (EM_ electromagnetic field enhancement), les matériaux 2D et certains oxydes présentent un mécanisme principalement basé sur le transfert de charge entre le substrat et la molécule cible (CM_ chemical enhancement), ouvrant la voie à une détection plus sélective, à une meilleure stabilité chimique, et à une intégration plus simple dans des dispositifs hybrides. L’exploration conjointe de MoS₂, WS₂ et VO₂ permettra notamment d’étudier l’influence de la structure électronique, des défauts, de la phase cristalline et de l’ingénierie de surface sur la sensibilité SERS.

Dans ce stage, le candidat s'intéressera plus particulièrement à l’étude des propriétés (e.g., vibrationnelles) de matériaux MoS₂ et VO₂. MoS₂ présente un gap indirect de 1.3 eV lorsqu'il se présente sous la forme multi-feuillet (bulk) et un gap direct de 1.8 eV lorsqu'il est mono-feuillet. Cette structure électronique, combinée à une forte densité d’états aux bords des bandes et à la possibilité d’ingénierie de défauts (vacances de soufre), le rend particulièrement efficace pour les mécanismes SERS. Contrairement à la phase VO₂(M1), célèbre pour sa transition métal–isolant à 68 °C, le stage se concentrera spécifiquement sur la phase VO₂(B). Cette phase est métastable, possède une structure cristalline monoclinique ouverte, et se distingue par un gap d’environ 0,6–0,7 eV ainsi qu’une forte mobilité ionique. VO₂(B) est couramment étudié pour le stockage d’énergie en raison de sa structure tunnel favorisant l’intercalation des ions; mais elle présente aussi un fort intérêt pour les applications optoélectroniques et catalytiques, grâce à ses états électroniques accessibles et à sa chimie de surface très réactive. Dans le contexte du SERS, la phase VO₂(B) apparaît particulièrement prometteuse. Son réseau plus ouvert génère une densité élevée de sites actifs, ainsi qu’une facilité à créer ou stabiliser des défauts d’oxygène — deux facteurs clés pour améliorer le mécanisme SERS basé sur le transfert de charge.

Le stage portera principalement sur :

• La synthèse hydrothermale de nanostructures de poudres et de films de MoS₂ et VO₂ (e.g., WS₂) avec une morphologie contrôlée (feuilletée, nanoflowers, nanorods…). Une comparaison avec d’autres méthodes de synthèse (collaboration avec Taïwan).
• La caractérisation structurale et optique (e.g., microscopie, Raman, photoluminescence).
• L’évaluation de la réponse SERS via molécules sondes (R6G…) de MoS₂, VO₂ et leur possible synergie, et l’analyse des mécanismes d’exaltation.
• Optionnellement, participation à une étude comparative de l’activité photocatalytique menée ex-situ (dégradation de colorants), afin de corréler structure, défauts et transfert de charge.

L’objectif final est de comprendre comment optimiser ces matériaux – via leur synthèse et leur nano-structuration – pour obtenir des substrats SERS performants, reproductibles et potentiellement intégrables dans des dispositifs de détection chimique avancés.

References: T. Tite et al., Journal of Electroanalytical Chemistry 933, 117290, (doi: 10.1016/j.jelechem.2023.117290) (2023); Wang et al., Journal of Alloys and Compounds 1010 (doi: 10.1016/j.jallcom.2024.178281) (2025); Zheng et al., Nature communications, 8, 1993 (doi: 10.1038/s41467-017-02166-z) (2017); Fu et al., ACS Appl. Nano Mater., 7, 3988−3996 (doi : 10.1021/acsanm.3c05606) (2024); Hong et al., Vacuum, 241, 114653 (doi : 10.1016/j.vacuum.2025.114653) (2025) ; Velea. A et al., Crystals, 14 (6), 551 (doi:10.3390/cryst14060551) (2024) 

Master 2 ou troisième année d’école d’ingénieur avec une spécialisation marquée en physique de la matière condensée. Un goût prononcé et une aptitude avérée pour l’approche expérimentale sont indispensables. Des connaissances en physique du solide ainsi qu’en chimie sont requises. Des compétences en physique théorique seront appréciées. Le candidat devra faire preuve de rigueur, d’autonomie et d’une grande motivation.