Development d'électrolytes innovants pour les batteries Na-ion à forte puissance
Le post-doc s'inscrit dans le cadre du projet PEPR Battery Hipohybat. Il vise à développer des batteries Na-ion de forte puissance en étroite collaboration avec des partenaires académiques tels que le Collège de France et l'IS2M. La conductivité des ions Na+ au cœur de l'électrolyte, ainsi qu'à l'interface électrode-électrolyte (EEI), sont les deux critères majeurs qui doivent être optimisés pour permettre le développement de cellules Na-ion à charge rapide.
La première stratégie pour augmenter la conductivité globale consistera à utiliser des co-solvants moins visqueux, tels que les éthers ou les nitriles. Cependant, ces solvants présentent une mauvaise stabilité électrochimique. Par conséquent, dans un premier temps, l'impact de leur ajout dans différentes proportions sera étudié pour (i) déterminer leurs fenêtres de stabilité électrochimique et (ii) analyser leur comportement de solvatation/désolvatation, ce qui est essentiel pour leurs tenues en puissance. Les contreparties fluorées des co-solvants les plus prometteurs seront également étudiées pour améliorer la stabilité en oxydation et permettre la formation d'une interphase solide electrolyte stable à l'électrode négative.
La deuxième approche se concentrera sur l'identification des additifs qui conduisent à des interphases « non résistives ». Des additifs commerciaux et des additifs synthétisés en interne seront étudiés à cette fin. En ajustant les trois composants de l'électrolyte ensemble, de nouvelles formulations seront développées pour atteindre un meilleur compromis entre la cinétique rapide des ions Na?.
Co-Optimisations de Conceptions et Technologies (DTCO) pour les applications RF millimétriques: utilisation de l'intégration homogène et hétérogène puce à plaque par collage hybride
Ces dernières années ont été l'objet de nombreuses avancées technologiques dans les semi-conducteurs à base de silicium; néanmoins les limites en termes de performances fréquentielles et de puissance semblent atteintes et imposent le développement de nouveaux composants type III-V (telles que InP et GaN) plus rapides et plus puissants pour les applications RF millimétriques. Pour des raisons de flexibilité, de performances et de coûts, il est primordial de co-intégrer ces nouveaux composants hautes-performances III-V avec les filières plus classiques silicium : c'est un des objectifs majeurs du sujet proposé. Les deux années de formation par la recherche proposées seront principalement l'objet de conceptions et d’optimisations de circuits RF millimétriques tirant partie de la technologie d'assemblage 3D hétérogène puce à plaque collage hybride. De nombreux véhicules de tests ont été réalisés et caractérisés ces dernières années et ont permis de montrer les avantages et inconvénients de l'assemblage puce à plaque collage hybride pour les applications RF millimétriques. Il s'agit donc de prolonger ces travaux et de focaliser les études et recherches sur des systèmes RF réels de type amplificateur de puissance millimétrique. L'approche DTCO (Design and Technology Co-Optimisations) permettra non seulement de concevoir des circuits 3D-RF efficaces, mais aussi des réaliser des ajustements des différentes règles de conception 3D, et ainsi de rendre la technologie d'assemblage 3D par collage hybride pertinente pour la réalisation de systèmes intégrés 3D RF millimétriques.
Caractérisation électrique de matériaux 2D pour la microélectronique
Les composants de microélectroniques du futur seront de plus en plus petit et de moins en moins gourmands en énergie. Pour relever ce défi, les matériaux 2D sont d’excellents candidats du fait de leurs dimensions. De nouveaux matériaux 2D avec des propriétés nouvelles sont créés tous les jours. Mais leur intégration et la mesure de leurs performances dans des circuits est un défi. En effet, ils présentent des surfaces sans liaison pendantes ce qui leur permet de conserver leurs propriétés même à très petites dimensions mais il faut aussi réussir à préserver cette structure pendant l’intégration. Les étapes de dépôt, de transfert et de photolithographie sont susceptibles d’endommager ces surfaces fragiles.
L’objectif de ce post-doc est de développer des composants de caractérisation électrique et magnétique pour des matériaux 2D en configuration horizontale sur silicium. Le laboratoire a déjà mis au point un système de mesure verticale, mais les matériaux 2D étant très anisotropes, la mesure horizontale est nécessaire pour totalement qualifier ces matériaux. En s’appuyant sur les développements du procédé de réalisation vertical, le candidat mettra au point ce système de mesure et caractérisera différents matériaux réalisés en MBE par une autre équipe du CEA.
Comparaison du Diamant et GaN vertical au SiC et Si sur des applications de puissance
L’électrification croissante des systèmes impose des dispositifs de puissance toujours plus performants. Si le carbure de silicium (SiC) est aujourd’hui une technologie mature et industrialisée, d’autres matériaux émergent pour repousser encore les limites. Le diamant, grâce à ses propriétés physiques exceptionnelles, et le nitrure de gallium (GaN) en architecture verticale, offrent un fort potentiel d’amélioration des performances. Cependant, leurs bénéfices réels face aux solutions existantes en silicium (Si) et en SiC restent à démontrer en fonction des applications et des contraintes d’industrialisation.
L’objectif de ce postdoctorat est d’identifier les domaines d’application où ces nouvelles technologies pourraient offrir des gains significatifs en considérant les tendances actuelles et futures du marché. Une approche combinant simulation et expérimentation permettra d’évaluer leur pertinence. À partir de simulations TCAD et SPICE, les performances des composants diamant et GaN vertical seront analysées et comparées aux solutions existantes. Ces simulations seront complétées par des mesures expérimentales réalisées sur des dispositifs de test, afin de confronter les résultats théoriques à des données réelles et d’affiner les modèles.
Le projet inclut l’analyse des besoins industriels, l’optimisation des architectures de composants, ainsi que la validation expérimentale des performances. Ce travail s’inscrit dans un cadre de recherche appliquée, avec des collaborations académiques et industrielles de premier plan. Il offre une opportunité unique de contribuer au développement des futurs dispositifs de puissance tout en travaillant sur des technologies de rupture.
Substrats RF disruptifs à base de matériaux polycristallins
Contexte et Objectifs
L’optimisation des performances des circuits haute fréquence repose sur l’utilisation de substrats de haute résistivité. Aujourd’hui, les substrats SOI (Silicon On Insulator) à haute résistivité avec une couche de pièges électroniques (« trap-rich ») sous l’oxyde enterré (BOX) sont la référence en matière de performances RF dans les technologies CMOS. Cependant, ces substrats présentent deux défis majeurs : 1) Leur coût relativement élevé. 2) Une dégradation des performances RF à des températures de fonctionnement supérieures à 100 °C.
Ce projet postdoctoral propose une approche innovante pour surmonter ces limitations en explorant les performances RF d’un substrat polycristallin de haute résistivité sur toute son épaisseur (plusieurs centaines de microns). Grâce à sa forte densité de pièges électroniques répartis dans tout son volume, ce substrat pourrait garantir une stabilité des performances RF, y compris à haute température.
Missions et Contributions
En rejoignant ce projet, vous travaillerez en collaboration avec le CEA-Leti et l’Université Catholique de Louvain (UCL), deux institutions de renommée internationale en microélectronique et en caractérisation RF. Vous serez impliqué(e) dans toutes les étapes de l’étude, depuis la modélisation jusqu’aux tests expérimentaux :
- Simulation et sélection des matériaux : Réalisation de simulations TCAD pour identifier les substrats polycristallins les plus prometteurs (ex. : poly-Si, poly-SiC, …).
- Intégration des substrats dans un procédé avancé : Développement et intégration des substrats polycristallins dans un process flow SOI au CEA-Leti.
- Caractérisation RF en conditions extrêmes : Mesures des performances RF en fréquence et en température à l’UCL, avec un focus particulier sur la compréhension des mécanismes physiques sous-jacents grâce au croisement des données expérimentales et des simulations.
Calcul Haute performance exploitant la technologie CMOS Silicium à température cryogénique
Les avancées en matériaux, architectures de transistors et technologies de lithographie ont permis une croissance exponentielle des performances et de l’efficacité énergétique des circuits intégrés. De nouvelles voies, dont le fonctionnement à température cryogénique, pourraient permettre de nouvelles avancées. L’électronique cryogénique, nécessaire pour manipuler des Qubits à très basse température, est en plein essor. Des processeurs à 4.2 K utilisant 1.4 zJ par opération ont été proposés, basés sur l’électronique supraconductrice. Une autre approche consiste à réaliser des processeurs séquentiels très rapides en utilisant des technologies spécifiques et la basse température, réduisant la dissipation énergétique mais nécessitant un refroidissement. À basse température, les performances des transistors CMOS avancés augmentent, permettant de travailler à plus basse tension et d’augmenter les fréquences de fonctionnement. Cela pourrait améliorer l’efficacité séquentielle des calculateurs et simplifier la parallélisation des codes informatiques. Cependant, il faut repenser les matériaux et l’architecture des composants et circuits pour maximiser les avantages des basses températures. Le projet post-doctoral vise à déterminer si la température cryogénique offre un gain de performances suffisant pour le CMOS ou si elle doit être vue comme un catalyseur pour de nouvelles technologies de calcul haute performance. L’objectif est notamment d’évaluer l’augmentation de la vitesse de traitement avec des composants silicium conventionnels à basse température, en intégrant mesures et simulations.
Conception et mise en œuvre d’un réseau de neurones pour la simulation thermo-mécanique en fabrication additive
Le procédé WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) est une méthode de fabrication additive métallique permettant de fabriquer des pièces de grandes dimensions avec un taux de dépôt élevé. Cependant, ce procédé engendre des pièces fortement contraintes et déformées, rendant complexe la prédiction de leurs caractéristiques géométriques et mécaniques. La modélisation thermomécanique est essentielle pour prédire ces déformations, mais elle nécessite d'importantes ressources numériques et des temps de calcul élevés. Le projet NEUROWAAM vise à développer un modèle numérique thermomécanique précis et rapide en utilisant des réseaux de neurones pour prédire les phénomènes physiques du procédé WAAM. Un stage en 2025 fournira une base de données via des simulations thermomécaniques avec le logiciel CAST3M. L'objectif du post-doc est de développer une architecture de réseaux de neurones capable d'apprendre la relation entre la configuration de fabrication et les caractéristiques thermomécaniques des pièces. Des essais de fabrication sur la plateforme PRISMA du CEA seront réalisés pour valider le modèle et préparer une boucle de rétroaction. Le Laboratoire de Simulation Interactive du CEA List apportera son expertise en accélération de simulations par réseaux de neurones et en apprentissage actif pour réduire le temps d'entraînement.
Développement de techniques de mesures in-situ et operando pour l’étude de la performance et du vieillissement de batterie lithium ion par insertion de capteurs internes
Dans le cadre de l’initiative PEPR Batterie portée par le CEA et le CNRS Collège de France, le projet SENSIGA vise à mettre en application les objectifs définis dans la roadmap européenne pour les « Smart Battery » écrit dans le cadre du Large Scale Initiative BATTERY2030+. Le projet porte sur le développement de capteurs innovants pour le monitoring des paramètres critiques des batteries Lithium ion afin d’optimiser les fonctions de BMS (Battery Management System) et d’améliorer leur performance, leur durabilité et leur sécurité. Le poste proposé ici porte sur le développement et la mise en œuvre de techniques de caractérisation in-situ et operando. Le candidat sera amené à participer au développement de capteurs optiques et électrochimiques pour des mesures internes sur cellules Li-ion. Il participera à l’instrumentation des cellules, leurs mises en œuvre dans différentes conditions de cyclage et à l’étude de leurs performances et vieillissement. Il participera à l’analyse des données ainsi qu’à l’étude post-mortem des cellules afin d’identifier les mécanismes de dégradation et effectuer la corrélation entre les mesures issues des capteurs et les phénomènes observés. Le présent post-doctorat s’inscrit dans un travail d’équipe composée d’électro-chimistes, de physiciens, de chimistes et de physiciens optique expérimentés dans le domaine [1-5]. Il se concentrera sur l’instrumentation interne de la cellule et travaillera en étroite collaboration avec un deuxième postdoc dédié à l’instrumentation de cellules par mesures multi-capteurs externe. L’objectif de ces travaux est de fournir un ensemble de données fiables sur les mécanismes de dégradation des cellules et leur monitoring afin d’alimenter les travaux qui seront réalisés par la suite au cours du projet sur la mise en place de fonctions avancées du « Battery Management Systems ».
Postdoc Contrôle Avancé Tolérant aux Défauts pour l'Amélioration de la Durabilité des Piles à Combustible
Les piles à combustible représentent une technologie clé pour les systèmes énergétiques propres et durables, en particulier dans des configurations hybrides pour des applications de transport et stationnaires. Cependant, leur durabilité dans des conditions réelles reste un défi critique. Ce projet vise à relever ces défis en explorant des stratégies de contrôle avancées basées sur des algorithmes de pronostic de pointe pour l’évaluation de l’état de santé des piles à combustible.
Cette offre se concentre sur les sujets de contrôle et optimisation avancés, et plus spécifiquement sur la conception de stratégies de contrôle tolérant aux défauts (FTC).
En s'appuyant sur des travaux antérieurs dans le domaine des pronostics par apprentissage automatique pour l’état de santé des piles à combustible, ce projet vise à développer des méthodes exploitant ces informations de pronostic pour optimiser le fonctionnement du système de pile à combustible. En combinant des approches basées sur des modèles, sur l’apprentissage par la donnée et avec des tests sur des plateformes réelles, ce projet vise à développer des solutions robustes et déployables qui améliorent la durabilité des piles à combustible tout en réduisant la complexité et les coûts de mise en œuvre des solutions avancées.
Conception et déploiement de stratégies innovantes de pilotage pour les réseaux énergétiques intelligents
Les réseaux de chaleur (RdC) jouent un rôle crucial dans les stratégies de transition énergétique grâce à leur capacité à intégrer efficacement les énergies renouvelables et la chaleur de récupération. En France, la stratégie nationale bas-carbone met l’accent sur l’expansion et l’optimisation des RdC, y compris des réseaux de plus petite taille avec plusieurs sources de chaleur comme le solaire thermique et le stockage. Les systèmes de contrôle intelligents, tels que le contrôle prédictif basé sur des modèles (MPC), visent à remplacer les pratiques manuelles basées sur l’expertise humaine pour améliorer l’efficacité. Cependant, le déploiement de systèmes de contrôle avancés sur de petits réseaux reste difficile en raison des coûts et de la complexité liés au matériel et à la maintenance.
Les solutions industrielles actuelles pour les grands RdC utilisent la programmation linéaire en nombres entiers mixtes (MILP) pour l’optimisation en temps réel, tandis que les petits réseaux s’appuient souvent sur des systèmes à base de règles. Les travaux de recherche se concentrent sur la simplification des modèles MPC, l’utilisation de pré-calculs hors ligne ou l’intégration de l’apprentissage automatique pour réduire la complexité. Des études comparatives évaluent diverses stratégies de contrôle en termes d’adaptabilité, d’interprétabilité et de performance opérationnelle.
Ce projet postdoctoral vise à faire progresser les stratégies de contrôle des RdC en développant, testant et déployant des approches innovantes sur un site expérimental réel. Il s’agit de créer et de comparer des modèles de contrôle, de les implémenter dans un simulateur physique, et de déployer les solutions les plus prometteuses. Les objectifs incluent l’optimisation des coûts d’exploitation, l’amélioration de la robustesse des systèmes et la simplification du déploiement.