Portrait

Le groupe de recherche sur la croissance cristalline de l’équipe Luminescence – iLM

PORTRAIT | par Maryvonne Haslé de La Gazette du Laboratoire | Juin 2022

Au sein de l’institut Lumière Matière (iLM, CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1 – UMR5306), dirigé par Philippe Dugourd, l’équipe Luminescence dirigé par le C. Dujardin abrite le groupe de recherche sur la croissance cristalline dirigé par K. Lebbou, qui travaille à la création de saphirs synthétiques pour diverses applications, notamment de haute technologie.

Le saphir est une pierre précieuse très résistante aux chocs et aux rayures dont les propriétés sont appréciées dans plusieurs secteurs industriels ou artisanaux dont l’horlogerie, la bijouterie de luxe et la microélectronique. On sait le fabriquer depuis plus d’un siècle grâce à une méthode de cristallisation appelée procédé Verneuil, du nom de son inventeur. Sa production est de nos jours réalisée à l’échelle industrielle. Le secteur de la cristallisation du saphir, très concurrentiel, demande une innovation permanente sur des process économiques et productifs, sur l’obtention de nouvelles couleurs de saphir et la pureté des cristaux. C’est là le savoir-faire du groupe de recherche sur la croissance cristalline de l’équipe Luminescence de l’iLM.

Un monocristal présenté par Kherreddine LEBBOU, Directeur du laboratoire SaphirLab

L’équipe Luminescence de l’iLM

Rappelons que l’institut Lumière Matière rassemble les forces de la physique et de la physico-chimie de la matière et de ses interactions avec la lumière, soit environ 300 collaborateurs dont une centaine de doctorants et post-doctorants.

Du fait de sa forte pluridisciplinarité qui implique la physique et la chimie, l’équipe Luminescence de l’iLM, dirigée par le Pr Christophe Dujardin, a acquis une grande expertise à la fois dans le tirage des cristaux, plus particulièrement le saphir (5 Thèses, plus de 20 publications, un chapitre d’ouvrage, des contrats industriels), dans les techniques de caractérisations structurales, spectroscopiques, et optiques. L’équipe Luminescence se compose de 6 groupes de recherche, dont le groupe de recherche sur la croissance cristalline dirigé par Kheirreddine Lebbou.

Un expert reconnu

Kheirreddine Lebbou est un expert reconnu à l’échelle internationale dans le domaine de la croissance cristalline et des technologies de conception des matériaux, avec un accent particulier sur les cristaux pour l’optique. Entré au CNRS depuis 2000, il a créé ensuite le groupe de recherche sur la croissance cristalline au sein de l’iLM. Le Dr Lebbou est cofondateur de la société « Fibercryst » (fibres monocristallines pour des applications lasers) et de la plateforme technologique « Cristalinnov » dans la région Auvergne Rhône-Alpes.

Aujourd’hui, l’activité cristaux de l’iLM se situe parmi les trois leaders mondiaux et est leader au niveau européen.

Le 6 avril 2022 a été lancé officiellement le SaphirLab, laboratoire commun financé par l’ANR, de l’institut Lumière Matière et de la société RSA Le Rubis, spécialiste grenoblois des cristaux de saphir.

Le LabCom SaphirLab est dédié au développement de saphirs inédits. Il est le résultat d’une collaboration de longue date entre les deux structures qui a débuté en 2005. Le Dr Kheirreddine Lebbou, directeur de recherche au CNRS-iLM, est le Directeur du LabCom SaphirLab, et est secondé par Serge Labor, directeur adjoint venant de RSA Le Rubis. Le LabCom est basé à l’iLM, avec un local dédié et des moyens en communs entre les deux partenaires (personnels, accès aux équipements).

Zoom sur le groupe de recherche sur la croissance cristalline

Kherreddine LEBBOU, Directeur du laboratoire SaphirLab, tient un monocristal dans sa main, venant de sortir du four Czochralski

Le groupe de recherche sur la croissance cristalline a un savoir-faire unique car il produit des cristaux, très performants, que personne d’autre ne sait faire dans le monde. Les cristaux développés ont un intérêt dans de nombreux domaines applicatifs comme le saphir dopé titane pour les lasers, le saphir non dopé pour les substrats (LED) et miroirs (Ondes gravitationnelles), le saphir coloré pour la bijouterie et la joaillerie, la sécurité ou la santé (cristaux scintillateurs), aube de turbine pour l’aéronautique (céramique eutectique), détecteur et résonateur (cristaux piézoélectrique). Le groupe collabore notamment avec le CERN pour le développement de cristaux spécifiques (fibres monocristallines). Par exemple, pour le laser, plus le saphir est propre et sans défaut, plus sa puissance est augmentée. D’où la nécessité de maîtriser les process.

Le groupe de recherche du Dr Lebbou bénéficie d’équipements pour la fabrication de cristaux utilisant des technologies de pointe, uniques au monde, conçues en interne pour certaines, avec un savoir-faire unique : une machine de tirage Czochralski pour la fabrication de cristaux, des machines micro-pulling down pour fabriquer des cristaux sous forme de fibres ou avec des formats contrôlés…

Depuis peu, l’installation est en cours au sein de l’ILM d’une machine Kyroupolos, machine unique au monde pour fabriquer des cristaux de 500 kg. Le but de cette installation est d’augmenter la productivité et le rendement. En effet, les chercheurs sont aujourd’hui impliqués dans la détection des ondes gravitationnelles et pour cela, ils ont besoin de cristaux d’au moins 300 mm de diamètre et de 200 mm de hauteur, soit environ 300 kg côté poids. Les besoins sont énormes.

Par ailleurs, les composants lasers ont besoin de cristaux supérieurs à 200 mm de diamètre et cela n’existe pas actuellement et le besoin est fort. Avec cette machine, les scientifiques vont répondre à ces attentes et d’assurer une indépendance nationale et au niveau européen.

Tous ces outils sont aussi mis en commun dans le cadre du SaphirLab. Au laboratoire, le chercheur Vincent Motoros a développé le Libs, un outil de caractérisation chimique pouvant quantifier les impuretés à très faible concentration dans le saphir, peu visibles, afin d’optimiser les bonnes concentrations pour obtenir les bonnes couleurs et surmonter les défauts éventuels (bulles, fissures).

Un autre procédé est utilisé avec un équipement de l’EFG, partenaire industriel de RSA Le Rubis, pour maîtriser le process de fabrication de cristaux avec des formats de plaques.

Toute cette activité de cristaux est déjà reconnue au Japon, USA, Chine et Europe (Suisse, Allemagne, Ukraine, République Tchèque notamment).

Les tutelles et RSA Le Rubis lors de l’inauguration du LabCom SaphirLab

Les prochains objectifs de l’équipe Luminescence et de son groupe de travail sont d’améliorer les saphirs avec une technologie plus performante, notamment à destination de la joaillerie- bijouterie et du high tech (lasers). Le groupe de recherche de croissance cristalline a également pour ambition de consolider le leaderhip européen de l’équipe en créant un grand centre d’excellence au niveau national et international dédié aux cristaux dans les 3 ans à venir ! 

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Contact :

Institut Lumière Matière

UMR5306 CNRS - Université Claude Bernard Lyon 1
Campus LyonTech - La Doua

http://ilm.univ-lyon1.fr