Thèse Synthèse par Chimie Verte Mécanismes de Formation et Optimisation des Propriétés Physiques des Nanocristaux de Niobate de Lithium Linbo3 H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc École doctorale : Sciences Ingénierie Environnement Laboratoire de recherche : Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique Direction de la thèse : Yannick MUGNIER ORCID 0000000219236553 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Le projet propose de développer une nouvelle génération de nanoparticules harmoniques (NPHs) à base de niobate de lithium (LiNbO). Celles-ci sont obtenues à l'aide d'un procédé respectueux de l'environnement (chimie verte) et pour des compositions chimiques métastables (hors équilibre thermodynamique) afin de répondre aux besoins croissants en imagerie biomédicale multiphotonique. Ces nanocristaux noncentrosymétriques présentent des propriétés optiques non linéaires exceptionnelles en termes de stabilité à long terme et d'imagerie ultrarapide en profondeur. L'originalité majeure du projet repose sur notre maîtrise fine des mécanismes de nucléation et cristallisation (chimie de type solgel en conditions solvothermales), permettant un contrôle sans précédent de la stoechiométrie, de la cristallinité et de la taille des particules. Une stratégie d'ingénierie des défauts intrinsèques dans LiNbO3 sera mise en oeuvre pour optimiser la brillance des NPHs. Des résultats préliminaires montrent en effet que les compositions métastables riches en niobium conduisent à une augmentation d'un ordre de grandeur des propriétés optiques. Le projet vise également un changement d'échelle en termes de synthèse afin de produire des lots de 1 g, nécessaires aux expérimentations animales menées par nos partenaires (localisation in-vivo et ex-vivo de cellules souches à fort potentiel thérapeutique). Enfin, et d'un point de vue matériau, une voie de rupture sera aussi explorée, à savoir la cristallisation de la phase LiNbO3 à température ambiante (alternative bien moins énergivore que les procédés classiques). L'ensemble permettra de relier structure cristalline, défauts intrinsèques et performance des propriétés optiques dans un contexte d'imagerie biomédicale et de développement de nouveaux agents de contraste. 5. CONTEXTE ET OBJECTIFS DU SUJET DE THÈSE (1 page max)

Les NanoParticules dites Harmoniques (NPHs) sont des nanocristaux de structure cristalline non centrosymétrique qui présentent des propriétés optiques non linéaires extrêmement riches.[1] Ces cristaux de taille nanométrique (30-150 nm) sont étudiés pour leurs applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.[2] Cela peut concerner le diagnostic précoce pour cibler des cellules cancéreuses (avant un relargage photo-déclenché de molécules anticancéreuses[3]) ou, depuis peu, le marquage de cellules souches à haut potentiel de réparation musculaire.

Ces NPHs sont en effet utilisées comme nouveaux « agents de contraste » car ils émettent, sous excitation laser impulsionnelle, une multitude de signaux optiques très spécifiques, appelés « harmoniques ». Ceux-ci sont à la fois reliés aux longueurs d'ondes d'excitation mais ils sont aussi cohérents (en phase) avec l'excitation pour une imagerie ultrarapide (>10 000 images/secondes).[4] Ainsi, par rapport aux marqueurs organiques classiques à base de fluorophores ( pour lesquels le contraste disparait après quelques minutes d'illumination), les NPHs présentent plusieurs avantages comme la stabilité chimique et la photostabilité (les signaux harmoniques ne disparaissent pas même après plusieurs semaines), une augmentation de la profondeur d'imagerie (il est possible d'adapter l'éclairement aux fenêtres de transparence des tissus[5-7]) et une imagerie quasi-instantanée pour suivre des phénomènes dynamiques. A titre d'exemple, des cellules souches marquées par des nanocristaux ont été suivies en temps réel dans des vaisseaux sanguins après injection intraveineuse dans le petit animal. Après biopsie, la signature optique très spécifique des nanocristaux a permis de relocaliser les cellules souches administrées dans plusieurs organes (poumons, foie, muscle cardiaque), ce qui ouvre de très nombreuses perspectives en thérapie cellulaire et médecine régénérative pour des pathologies incurables, telles que les dystrophies musculaires (collaboration avec UMR PanTher, INRAE de Nantes).

Dans ce contexte, le laboratoire SYMME est très actif depuis une quinzaine années dans le développement de ces NPHs multifonctionnelles en portant une attention toute particulière à la compréhension des mécanismes de formation/cristallisation[8,9] et à l'optimisation de leur propriétés optiques.[10] Ces travaux menés au sein du thème « Matériaux et nanomatériaux fonctionnels » du SYMME s'inscrivent dans la thématique « Services et Industries du Futur » de l'USMB tout en intégrant des contraintes de développement durable (matériaux sans plomb et chimie verte car sans rejet gazeux, voir aussi programme prioritaire horizon Europe : Raw materials for the green and digital transition). Notre protocole expérimental de synthèse des NPHs de LiNbO3 est basé sur un procédé sol-gel comprenant une micro-hydrolyse à température ambiante d'un mélange d'alcoxydes suivi d'un traitement en conditions solvothermales (autoclave hermétique) permettant la cristallisation.[9] Pour LiNbO3, ces deux mécanismes de nucléation et de cristallisation sont dits non-classiques puisqu'ils impliquent de nombreux intermédiaires réactionnels comme des complexes moléculaires (ou oxoclusters) et des germes nanométriques amorphes stabilisés par des ligands organiques. Cette connaissance fine des mécanismes de formation est essentielle puisqu'elle permet par exemple, d'ajuster facilement la composition des nanocristaux en incorporant des ions de terres rares comme Er3+.[10] On augmente ainsi la multimodalité optique des nanocristaux avec l'émission d'autres longueurs caractéristiques dans le proche infrarouge (imagerie en profondeur). Cela permet aussi de modifier la « stoechiométrie » des nanocristaux qui est définie par le rapport X=Li(Li+Nb) et qui est fixée à 50% pour une composition nominale (à savoir un « Li » pour un « Nb » dans LiNbO3).


Les objectifs de ce travail de thèse sont multiples et reposent avant tout sur notre compréhension récente des mécanismes de formation des NPHs de LiNbO3.

1) Un premier travail est d'augmenter la quantité de poudre par synthèse, actuellement limitée à 90 mg. Des autoclaves de plus grande capacité (45 mL et 125 mL, au lieu de 23 mL) seront utilisés, ainsi qu'une concentration en précurseurs plus élevée. Cette approche permettra de produire de manière fiable des lots de 1 g à fournir à nos collaborateurs. Cela est maintenant envisageable grâce à l'étude toute récente (thèse d'Ameni Dhouib, soutenance en Janvier 2026) montrant une corrélation forte entre les quantités initiales de précurseurs (à contrôler très précisément !) et les cristallinités/compositions/tailles des nanocristaux ainsi préparés. Par rapport au domaine bien connu de stabilité thermodynamique des cristaux massifs (47.5%
D'un point de vue académique mais surtout de manière plus ambitieuse, les objectifs de la thèse porteront plus spécifiquement sur :

2) Une approche très originale de l'ingénierie des défauts intrinsèques dans les nanocristaux de LiNbO3. Pour les échantillons riches Nb, nous avons récemment synthétisé des nanocristaux avec des compositions en dehors de l'équilibre thermodynamique (défini par des températures > 1200°C pour un mélange fondu de Nb2O5 et Li2O), c'est-à-dire avec X <47,5%. A l'échelle nanométrique, cela est rendu possible par l'utilisation du procédé sol-gel et des conditions solvothermales (235°C, 10-15 bars) qui nous permettent de produire ces nanocristaux 'métastables'. Ils sont dits 'métastables' car ils ont une composition mesurée avec 45,7% 600°C.
Ces compositions sont impossibles à atteindre pour un cristal massif et donnent lieu à des propriétés complètement inattendues. En effet, des mesures préliminaires de génération de second harmonique ont révélé, après normalisation par la taille des particules, une augmentation d'un facteur dix de la brillance des nanocristaux. C'est un résultat non seulement prometteur pour l'imagerie biomédicale mais qui ouvre aussi de nouvelles perspectives en termes d'optimisation des relations structures-propriétés. Les premières expériences de diffraction à très haute résolution menées au synchrotron de Grenoble (ESRF, Janvier 2026) confirment une altération de la structure cristalline avec, en particulier, un changement de la forme des pics de diffraction associés aux plans (006), distants de 2.31 Å. Nous nous proposons de quantifier pour ce travail les distorsions des octaèdres NbO (induits par le fort taux de lacunes[11]) et de les relier aux moments dipolaires responsable de l'émission d'harmoniques.


3) Une cristallisation à basse température. Les travaux récents d'Ameni Dhouib ont aussi démontré un autre résultat très encourageant : une cristallisation partielle et à température ambiante des nanopoudres de LiNbO3 lorsque la source d'énergie thermique est remplacée par une simple pression statique sur des germes amorphes. Ce processus pourrait s'expliquer par notre procédé de condensation depuis des réactifs liquides (pas de fusion à haute température de précurseurs solides). Nous souhaitons donc poursuivre ces travaux portant sur la cristallisation assistée par pression (qui a été récemment validée pour la calcite, CaCO3, et fait l'objet d'un article dans Science[12]).
Par rapport aux conditions thermodynamiques de croissance des cristaux massifs (oxydes fondus à plus de 1200°C) cela ouvre bien entendu une alternative très prometteuse. Si le procédé actuellement utilisé est particulièrement énergivore, et malgré tout utilisé, c'est que LiNbO3 reste LE matériau de l'optique, au même titre que le silicium est celui de l'électronique. Le niobate de lithium est communément appelé le « silicium de la photonique » avec un marché mondial (pour les cristaux massifs et plus récemment les couches minces pour les télécommunications mobiles de la 5G) qui se compte en milliards de dollars (voir par exemple https://www.verifiedmarketreports.com/fr/product/linbo3-market/).