Graphène haute performance pour les contacts non métalliques dans les dispositifs en pérovskite

Malgré ses nombreux effets positifs, la production de panneaux photovoltaïques est confrontée à la menace d'une croissance durable en termes de matières premières, d'énergie et d'environnement. L'industrie photovoltaïque est très dépendante des matières premières essentielles et cette dépendance s'aggrave à mesure que la production et la consommation de panneaux solaires augmentent considérablement.

L'objectif principal de ce projet est de développer la prochaine génération de couches conductrices transparentes/non-transparentes basées sur des matières premières non critiques. Ces couches seront utilisées comme contact, interconnexions dans des panneaux solaires innovants. Le principe directeur de ce projet est de construire une ligne conductrice compétitive de haute qualité et à faible coût pour remplacer les contacts en argent. Grâce à ses propriétés exceptionnelles, le graphène pourrait jouer un rôle essentiel dans le remplacement des matériaux critiques et l'amélioration de la conductivité électrique. Ce projet de doctorat sera consacré au développement d'encres au graphène conductrices à basse et haute température. Ces encres seront conçues pour la sérigraphie, le jet d'encre ou toute autre technique d'impression à faible coût permettant d'imprimer des contacts et des interconnexions. i) Les propriétés des encres en termes de composition et de viscosité seront ajustées. ii) Le comportement de l'encre conductrice imprimée sera étudié après exposition à différentes contraintes (mécanique, température, humidité, électrique, lumière, oxygène....). iii) Enfin, l'accent sera mis sur la caractérisation de la conductivité en fonction de la morphologie de l'électrode (épaisseur, porosité, ...) et de la résistance mécanique. L'objectif global est d'optimiser la conductivité, la résistance mécanique et la durabilité et d'incorporer ces avancées dans des cellules solaires pérovskites

Transporteurs d'électrons réticulés pour cellules solaires tandem pérovskites stables

Les cellules solaires à pérovskite sont devenues une technologie prometteuse du fait de l’augmentation rapide des efficacités pour atteindre 25.5% en 2020, proche de la limite théorique de Shockley-Queisser de 30%. Les cellules tandem offrent une alternative pour aller au-delà mais la stabilité demeure un point de blocage.

Dans ce projet, nous nous appuierons sur nos expertises complémentaires en synthèse de matériaux moléculaire et macromoléculaire, en contrôle de la morphologie de films en couche mince et en assemblage de dispositifs photovoltaïques pour améliorer la stabilité de cellules pérovskites inverses. De nouveaux semi-conducteurs de type n sans fullerène seront préparées, pour développer des couches transportrices d’électrons (CTE) aux mobilités élevées. Ces CTEs seront stabilisés au moyen de groupes réticulables. L’efficacité et la stabilité de cellules solaires pérovskites inverses en configuration tandem incorporant ces CTEs seront évaluées.

PRODUCTION PHOTOCATALYTIQUE D'HYDROCARBURES UTILISANT L'ACIDE GRAS PHOTODÉCARBOXYLASE

Une position de doctorat en bio-photocatalyse à l'Université Paris-Saclay/I2BC & à l'Université d'Aix Marseille/BIAM en France est disponible pour un(e) candidat(e) dynamique et enthousiaste. Financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) française, le projet interdisciplinaire se concentre sur le développement de biocatalyseurs innovants pour la photo-production de carburants d'origine non fossile.
Le projet de thèse, intitulé 'Production photocatalytique d'hydrocarbures utilisant l'acide gras photodécarboxylase', vise à optimiser l'enzyme naturelle de la Photodécarboxylase des Acides Gras (FAP) pour une photostabilité accrue et une fixation et photodécarboxylation plus efficaces des substrats d'acides gras courts, produisant ainsi des hydrocarbures liquides.
Les responsabilités clés comprennent la préparation de protéines FAP (sauvage et mutants), la réalisation de tests et de criblages d'activité photoenzymatique, la participation à l'évolution enzymatique, la caractérisation de nouveaux mutants à l'aide de techniques spectroscopiques, la contribution à l'analyse des données, à la rédaction de publications scientifiques, et la présentation des résultats lors de conférences.
Les exigences pour le/la candidat/e comprennent un diplôme de Master ou d'ingénieur dans des domaines pertinents, des compétences pratiques en laboratoire, la capacité à travailler de manière autonome, la maîtrise de l'anglais et/ou du français, et la disposition à déménager de Provence à l'Île-de-France pendant le doctorat.
La position offre la possibilité de contribuer à la recherche sur l'énergie durable tout en acquérant une expertise en biologie moléculaire, biochimie et spectroscopie optique. Le doctorat sera réalisé dans le cadre d'un projet ANR collaboratif impliquant quatre équipes aux compétences diverses. Le/la candidat/e idéal/e devrait s'intégrer dans un environnement multidisciplinaire.
Le superviseur sera Pavel Müller (pavel.muller@i2bc.paris-saclay.fr) et le co-superviseur sera Damien Sorigué(damien.sorigue@cea.fr). Les lieux de travail comprennent l'Institut des Biosciences et Biotechnologies d'Aix-Marseille et le CEASaclay/Institut de Biologie Intégrative de la Cellule.
Le contrat commence entre octobre 2024 et février 2025 et dure trois ans, avec un salaire mensuel de 2400 € (brut). Les candidat(e)s prêt(e)s à relever des défis dans le domaine de l'énergie sont encouragé(e)s à postuler !

Nanoréacteurs tubulaires durables à polarisation radiale pour la catalyse

L'augmentation de la demande en énergie et la nécessité de réduire l’utilisation des combustibles fossiles afin de limiter le réchauffement climatique ont ouvert la voie à un besoin urgent de technologies de collecte d'énergie propre. Une solution intéressante consiste à utiliser l'énergie solaire pour produire des carburants. Ainsi, les matériaux bon marché tels que les semi-conducteurs ont fait l'objet de nombreuses études pour les réactions photocatalytiques. Parmi eux, les nanostructures 1D sont prometteuses en raison de leurs propriétés intéressantes (surfaces spécifiques élevées et accessibles, environnements confinés, transport d'électrons sur de longues distances et séparation des charges facilitées) L'imogolite, une argile naturelle sous la forme d'un nanotubes creux, appartient à cette catégorie. Sa particularité ne vient pas de composition chimique (Al, O et Si) mais de sa courbure intrinsèque qui induit une polarisation permanente de la paroi séparant efficacement les charges photo-induites. Ce nanotube appartient à une famille partageant la même structure locale avec différentes morphologies courbées (nanosphère et nanotuile). En outre, plusieurs modifications de ces matériaux sont possibles (couplage avec des nanoparticules métalliques, fonctionnalisation de la cavité interne), ce qui permet de moduler leurs propriétés. Ces matériaux sont ainsi de bons candidats comme nanoréacteurs pour les réactions photocatalytiques. Pour l'instant, la preuve de concept (i.e. le nanoréacteur pour des réactions photocatalytiques) n'a été obtenue que pour la forme nanotube. L'objectif de cette thèse est ainsi d'étudier toute la famille (nanotube, nanosphère et nanotuile, avec diverses fonctionnalisations) en tant que nanoréacteurs pour des réactions de réduction du proton et du CO2 déclenchées sous illumination

La technologie olfactive (Qi – Wei) : une inspiration chinoise pour l’écotechnologie

La spécificité de la pensée chinoise de la technologie fait l'objet de débats philosophiques récurrents depuis le début du XXe siècle. Cette discussion souligne l'originalité du rapport sensoriel à la nature s'exprimant dans l'écriture et la culture chinoise. "La technologie olfactive (Qi – Wei) : une inspiration chinoise pour l’écotechnologie" explore l'hypothèse qu'une philosophie des techniques, d'inspiration chinoise mais ouverte aux autres cultures, peut renouveler la réflexion sur la technologie dans son rapport à l'environnement à partir du paradigme de l’olfaction (Wei).
Cette approche s'appuie sur une analyse de la pensée chinoise traditionnelle développée par des philosophes chinois contemporains, en particulier Gong Huanan, et montre son influence sur la pensée technologique chinoise actuelle. Cette recherche s'appuie aussi sur les travaux de spécialistes de l’olfaction, ainsi que sur des philosophes occidentaux de la technique, de la science et de l’imaginaire (tels que Gilbert Simondon, Gaston Bachelard et Dominique Lestel).
L'enjeu scientifique premier consiste à restituer le paradigme olfactif de la pensée technologique chinoise pour examiner son rapport à l'environnement, afin de développer dans un second temps une réflexion écotechnologique transculturelle. A la lumière de ces analyses, il conviendra ensuite de reconsidérer les imaginaires des technologies robotiques et numériques afin d'explorer de nouvelles pistes d'innovations. Enfin, dans une perspective de prototypage science-fiction ("science fiction prototyping"), des fictions spéculatives prolongeront l'analyse en examinant l'impact des technologies imaginables à partir du paradigme olfactif.

RMN sous illumination : un outil puissant pour comprendre et améliorer les propriétés de protéines fluorescentes photo-commutables

L'étudiant recruté étudiera les mécanismes photophysiques des protéines fluorescentes (RSFPs) réversiblement photo-commutables en utilisant la spectroscopie RMN en solution couplée à une illumination in situ et à une pression d'oxygène variable. Les RSFP sont capables de passer d'un état fluorescent à un état non fluorescent sous l'effet d'une illumination spécifique, et ont favorisé de nombreux types d'applications d'imagerie, y compris les méthodes de super-résolution. La spectroscopie RMN multidimensionnelle est une technique de résolution atomique particulièrement puissante qui fournit des informations détaillées sur la dynamique conformationnelle des protéines, ainsi que sur la chimie locale (états de protonation, liaisons H, ...) impliquée dans la photophysique du chomophore au sein de l'échafaudage protéique. Dans ce projet de thèse, nous allons améliorer notre dispositif d'illumination RMN in situ en ajoutant des capacités telles que des longueurs d'onde supplémentaires de sources lumineuses émettrices, la détection de la fluorescence et le contrôle de la pression de l'oxygène. Cela permettra de corréler directement la dynamique conformationnelle de divers états avec leurs propriétés photophysiques, ainsi que l'effet de l'oxygène sur la formation d'états triplets et le photoblanchiment. Nous appliquerons cette méthodologie RMN à plusieurs modèles de RSFP verts et rouges, ainsi qu'à des systèmes FAST. L'objectif est de contribuer à la connaissance fondamentale de ces marqueurs fluorescents et de concevoir des variantes améliorées.

Comprendre les protéines fluorescentes photo-commutables rouges

L'imagerie par fluorescence est essentielle pour percer les secrets de la vie et a grandement bénéficié de la découverte des protéines fluorescentes (PF). Les protéines fluorescentes réversiblement commutables (RSFP, https://doi.org/10.1002/iub.1023) sont capables de passer d'un état fluorescent à un état non fluorescent sous l'effet d'une illumination spécifique, et ont favorisé de nombreuses applications en imagerie, notamment certaines méthodes de super-résolution. Cependant, les RSFPs sont encore imparfaites : par exemple, leur brillance est limitée, leur cinétique de commutation dépend des conditions environnementales et leur résistance au photoblanchiment est insuffisante. En particulier, alors que les RSFPs vertes sont relativement performantes, les RSFPs rouges sont à la traîne. Les performances de commutation des RSFPs vertes et rouges sont liées à leurs propriétés dynamiques et peuvent être étudiées en combinant des approches de biologie structurale, telles que la cristallographie cinétique aux rayons X, avec la spectroscopie optique et l'imagerie de fluorescence (doi : 10.1038/s41592-019-0462-3). Dans le projet proposé, ces techniques seront utilisées pour mieux comprendre les RSFP rouges et faciliter leur ingénierie rationnelle pour développer des variants plus lumineux et photo-résistants. L'étudiant(e) recruté(e) travaillera en étroite collaboration avec un autre doctorant en cours de recrutement, qui abordera les mêmes questions en utilisant la RMN.

Les candidats devront montrer un intérêt marqué pour l'interface entre la physique, la chimie et la biologie. Une connaissance de la microscopie à fluorescence avancée et/ou de la cristallographie aux rayons X est requise. Une expérience préliminaire en analyse d'images, biochimie, biologie cellulaire et/ou moléculaire sera appréciée.

Imagerie de la compartimentation et de la pharmacologie du lithium par IRM du Lithium-7 in vivo at très haut champ magnétique.

A très haut champ magnétique, l’accroissement de la polarisation ouvre la voie à l’imagerie et à la spectroscopie RMN de noyaux moins abondants que le proton et aux rapports gyromagnétiques plus faibles tels que le sodium-23 (23Na) et le lithium-7 (7Li).
L’objectif de cette thèse est de développer l’imagerie RMN des noyaux 23Na et 7Li à très haut champ magnétique sur le nouvel imageur clinique à 11,7T de NeuroSpin (CEA/DRF/JOLIOT) ainsi que sur l'imageur préclinique à 17.2T. L’étudiant de thèse devra poursuivre les travaux réalisés ces dernières années et mettre en place de nouveaux protocoles précliniques d’imagerie et de spectroscopie in vivo du 23Na et du 7Li. Ce travail sera appliqué pour étudier la pharmacologie cérébrale du lithium et ses propriétés biophysiques. Nous nous intéresserons en particulier aux cinétiques de transport à travers la barrière hémato-encéphalique et à la compétition entre ions Li+ et Na+ et leur compartimentation.

Générateur compact de faisceaux paires electrons-positrons/muons-antimuons

###Contexte

Le contexte de ce sujet de thèse est celui des accélérateurs d’électrons laser-plasma, qui peuvent être obtenus en focalisant un laser de puissance dans un jet de gaz. Au foyer laser, le champ électrique est tellement intense qu’il ionise quasi-instantanément le milieu gazeux et forme un plasma sous-dense, au sein duquel l’impulsion laser peut se propager. Dans son sillage, cette impulsion excite des structures plasmas accélératrices pouvant soutenir des champs électrostatiques de l’ordre de 100GV/m. Au sein de ces structures, des électrons du plasma peuvent être piégés et accélérés à des énergies relativistes (quelques GeV) sur des distances centimétriques. Ces champs électrostatiques étant trois ordres de grandeurs supérieurs à ceux fournis par les cavités radiofréquences, les accélérateurs laser-plasma sont des candidats prometteurs pour miniaturiser les accélérateurs d’électrons afin : (i) de démocratiser leur usage à des applications existantes mais restreintes à quelques installations dans le monde et (ii) permettre de nouvelles applications de ces accélérateurs à des secteurs stratégiques clés (recherche fondamentale, industrie, médecine, défense).

Parmi les applications faisant l’objet d’une forte concurrence internationale, on note :

> L’utilisation de ces accélérateurs pour fournir la première machine de radiothérapie d’électrons à haute énergie (100MeV) pour les traitements médicaux

> L’utilisation de ces accélérateurs comme brique de base d’un futur grand collisionneur d’électrons/positrons au TeV pour la physique des hautes énergies

> L’utilisation de ces accélérateurs pour construire une source compacte et mobile de muons relativistes pour pouvoir réaliser de la tomographie de muons active. Un tel outil serait un atout majeur dans les secteurs de l’industrie (e.g., diagnostic de sécurité des réacteurs dans le nucléaire civile) et de la défense (non-prolifération). A noter que dans ces deux secteurs, l’agence DARPA américaine a déjà financé en 2022 un programme ambitieux (Muons for Science and Security, MuS2) afin de fournir un premier design conceptuel d’une machine à muons relativistes utilisant un accélérateur laser-plasma (cf. https://www.darpa.mil/news-events/2022-07-22)

###Enjeux

Afin de rendre possible les applications mentionnées précédemment, il faut lever d’importantes limitations des accélérateurs laser-plasma actuels. Une limitation importante est le peu de charge à haute énergie (100MeV à plusieurs GeV) fournie par ces accélérateurs. La cause physique derrière ce manque de charge provient principalement du fait que les techniques d’injection de charge actuelle reposent sur l’injection d’électrons depuis le gaz, qui est très peu dense en électrons. Afin de résoudre cette limitation, nous avons récemment proposé un nouveau concept d’injection à partir d’un système physique remarquable appelé miroir plasma. Ce concept est basé sur une cible hybride gaz-solide. Quand le laser à haute intensité interagit avec cette cible, il ionise complètement le solide et le gaz. La partie solide de la cible a une densité électronique tellement élevée qu’elle réfléchit le laser incident, en formant un “miroir plasma”. Dans la partie gazeuse de la cible, le laser se propage et génère des structures accélératrices comme dans les schémas conventionnels. Suite à la réflexion sur le miroir plasma, des jets d’électrons ultra-denses peuvent être précisément injectés dans les structures accélératrices formées par le laser réfléchi. Comme le solide peut fournir une charge beaucoup plus élevée que le gaz et que la charge est injectée à partir d’une région fortement localisée, ce schéma a le potentiel d’augmenter la charge accélérée tout en préservant la qualité du faisceau accéléré.
Le groupe PHI est à la pointe au niveau international dans l’étude et le contrôle de ces systèmes. En partenariat avec le LOA, nous avons démontré (à l’aide de lasers de classe 100 TW) que ce nouveau concept permet d’augmenter considérablement la charge dans ces accélérateurs tout en conservant la qualité du faisceau.

###Objectifs

Dans ce contexte, l’objectif 1 de la thèse sera de produire un accélérateur laser-plasma avec injecteur miroir plasma à plusieurs GeV sur des installations lasers de classe PetaWatt (type laser APOLLON). Avec un laser de classe PW, cet accélérateur laser-plasma devrait produire des faisceaux d’électrons de plusieurs 100pC à 4GeV avec une dispersion en énergie de quelques %. Une telle qualité de faisceau constituerait une avancée majeure dans le domaine.

L’objectif 2 sera ensuite d’envoyer ce faisceau d’électrons dans un convertisseur à haut Z pour produire des paires muons/anti-muons. Nos estimations montrent que l’on pourrait obtenir de l’ordre de 10^4 muons relativistes par tir, ce qui permettrait de fournir une radiographie de matériaux à haut Z en quelques minutes.

Ce sujet comporte à la fois des activités :

>Théoriques/numériques de modélisation à l’aide de notre code exascale WarpX (partie accélérateur laser-plasma) et du code Geant4 (partie convertisseur haut Z)

>Expérimentales (interaction laser-plasma à haute intensité, détection de muons relativistes).

Il implique plusieurs laboratoires partenaires :

>Le Laboratoire d’Optique Appliquée sur les expériences d’accélération laser-plasma (A. Leblanc),

>Le CEA-IRFU sur la partie détection (technologie micromegas, O. Limousin),

>Le Lawrence Berkeley National Lab sur la partie développement de code (WarpX).

En termes expérimental, nous utiliserons plusieurs installations laser :

>L’installation laser UHI100 pour la mise en place et le test de l’accélérateur plasma à puissance laser plus réduite,

>L’installation laser APOLLON pour la mise en place de l’accélérateur laser-plasma à puissance nominale (PW). Une première expérience implémentant le concept d’injecteur miroir plasma au PW est prévue en Mai 2024 en collaboration CEA-LOA. Suite à cette expérience, nous réaliserons ensuite une deuxième expérience (horizon 2025-2026) de production de muons sur APOLLON ou d’autres laser en Europe (dont les lasers ELI).

Cartographie de la polarisation électrique dans des dispositifs ferroélectriques à l’échelle nanométrique

Les matériaux ferroélectriques, avec leur forte constante diélectrique et leur polarisation spontanée, font l'objet de recherches intenses en microélectronique. La polarisation est un paramètre essentiel pour ces matériaux alors que sa caractérisation reste majoritairement limitée à l’échelle macroscopique par des méthodes électriques classiques. Pour approfondir la compréhension de ces matériaux, en particulier en couches minces, et créer de nouveaux dispositifs, des mesures locales sont indispensables. Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle méthodologie pour cartographier directement la polarisation dans des dispositifs à l'échelle nanométrique. En combinant l'expertise des équipes du SPEC dans la croissance de matériaux en couches minces et du C2N dans la nanostructuration et les mesures électriques, nous allons élaborer et concevoir une géométrie particulière de nanostructures permettant d’utiliser en particulier l'holographie électronique operando (collaboration avec le CEMES-CNRS, ANR POLARYS) pour cartographier quantitativement le potentiel électrique local dans les nanodispositifs lors de l'application d'une tension.

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