Composites nano-silicium/graphène pour batteries lithium-ion à haute densité d’énergie
Le sujet s’inscrit dans un projet H2020 inclus dans le Core 2 du Flagship Graphene (2018-2020), portant sur les applications du graphène dans le stockage de l’énergie. Pour les batteries Li-ion, le graphène est associé en composite avec du silicium nano-structuré pour augmenter la capacité énergétique. Le graphène enrobe le silicium, réduisant sa réactivité avec l’électrolyte et la formation de la couche de passivation (SEI), et maintient une conductivité électrique élevée dans l’électrode.
L’étude porte sur 2 technologies : l’optimisation de composites graphène-nanoparticules de Si déjà explorés dans ce projet, et la mise au point de composites inédits graphène-nanofils de Si pour comparaison. Elle sera menée dans deux laboratoires du CEA en étroite collaboration : au LITEN (recherche technologique) spécialisé dans les batteries pour le transport, et à l’INAC (recherche fondamentale) spécialisé dans la synthèse de nanomatériaux.
Le/la postdoc fera la synthèse des nanofils de Si pour ses composites par le procédé de croissance en masse récemment breveté à l’INAC. Elle/il sera en charge de la formulation des composites selon le savoir-faire du LITEN et de leur mise en œuvre en pile bouton pour tests en cyclage. Il/elle mènera une comparaison systématique du comportement électrochimique des deux types de composites à base de nanoparticules et de nanofils. La comparaison s’appuiera sur une étude du mécanisme de perte progressive de capacité et de formation de la SEI grâce aux outils de caractérisation disponibles au CEA Grenoble et dans le consortium du projet : diffraction X, microscopie électronique, spectroscopies XPS, FTIR, RMN. Elle/il participera aux travaux du consortium international (Cambridge UK, Gênes Italie, Graz Autriche).
Le contrat postdoctoral est attribué pour 2 ans.
On recherche un docteur en sciences des matériaux avec expérience en nanocaractérisation, nanochimie et/ou électrochimie.
Les candidatures sont attendues avant le 31 mai 2018.
Etude la physisorption d’espèces chimiques sur des surfaces sensibles lors des transferts en mini-environnement contrôlés en microélectronique
Une plateforme de caractérisation basée sur le concept de connexion entre équipements de procédés et de caractérisation par l’intermédiaire d’une valise de transfert sous vide a été montée permettant une caractérisation quasi in-situ des substrats et matériaux de la microélectronique. Ce concept de transfert, basé actuellement sur le simple vide statique dans une valise est satisfaisant vis-à-vis du taux résiduel de O et C à la surface de matériaux particulièrement sensibles (Ge, Ta, Sb, Ti, …) et les croissances par MOCVD sur les GST ou les III/V, ou l’analyse des couches réactives après gravure plasma. Son optimisation pour des applications plus exigeantes (collage moléculaire, reprise épitaxie) en termes de préservation des surfaces nécessite de mieux comprendre l’évolution physico chimie des surfaces.
Le travail proposé portera sur des études physico chimiques de l’évolution et de la contamination moléculaire des surfaces lors des transferts et se déroulera en salle blanche. L’XPS, la TD-GCMS et la spectrométrie de masse sur la boite elle-même (à implémenter), seront utilisés pour adresser l’origine (parois, joints, environnement gazeux, …) des espèces chimiques adsorbées et déterminer les mécanismes de physisorption à la surface des substrats. Les surfaces étudiées seront suffisamment sensibles à la contamination pour extraire l’influence de l’environnement de la boite et les paramètres explorés seront la nature des joints utilisés, l’influence de l’étuvage de la boite, le niveau de vide, l’utilisation d’un mini environnement gazeux à basse pression dans la boite (nature du gaz, pression,…)
Développement de panneaux solaires flexibles pour applications spatiales
Les panneaux solaires utilisés conventionnellement pour alimenter en énergies les satellites sont encombrants et reliées entre eux par de lourdes pièces mécaniques. Plus légers et plus compacts, les panneaux solaires flexibles consistent en une peau souple servant de support aux cellules solaires qui transforment la lumière en électricité. Etant flexibles, les panneaux solaires pourraient s’enrouler ou se plier, sans l’aide de moteurs, les rendant ainsi moins lourds et coûteux que les panneaux solaires conventionnels.
D’un autre côté, le secteur des satellites est en train de migrer d’une configuration mono satellitaire à une configuration de constellation de satellites. Ces dernières années, le besoin de production de masse de satellites légers s’est accru. Les fabricants de panneaux solaires sont mis à l’épreuve sur leur capacité à affronter ces nouveaux besoins en termes de capacité de production et d’adaptabilité de leurs lignes de production. C’est exactement sur ces points que le photovoltaïque spatial peut apprendre du photovoltaïque terrestre.
Pour affronter ces nouveaux défis, le Liten a commencé à travailler sur ces sujets il y a plus de deux ans. Dans le cadre de ce post-doc, nous proposons de développer une architecture innovante de panneau solaire flexible en utilisant des procédés de fabrication à fort potentiel industriel. Nous cherchons pour cela un candidat avec une forte expérience dans le domaine des polymères et de leur mise en œuvre, avec aussi une expérience en mécanique. Toute expérience antérieure dans le photovoltaïque sera avantageusement considérée.
Développement d’actionneur piézoélectrique sans plomb en couches minces
Au sein de CEA-Tech, l’Institut LETI crée de l’innovation et la transfère à l’industrie. Le LCMA, laboratoire de composants micro-actionneurs, travaille sur l’intégration de matériaux piézoélectriques dans des microsystèmes permettant d’obtenir la fonction de transduction électromécanique. Le Titanate Zirconate de Plomb (PZT) est à ce jour le matériau piézoélectrique le plus performant pour les applications micro-actionneur. Cependant, la mise en place dans un futur proche d’une nouvelle norme concernant le taux de plomb autorisé dans les puces (directive européenne RoHS) nous amène à évaluer des matériaux sans plomb alternatifs au PZT pour les applications actionneurs piézoélectriques. Le développement de matériaux sans plomb est de fait devenu un axe majeur de la recherche sur les piézoélectriques. Ces recherches ont amené à revisiter et modifier certains matériaux piézoélectriques classiques tels que les KNbO3 et BaTiO3. La famille des KNaxNb1-xO3 (KNN) a notamment été identifiée comme une piste prometteuse. L’objectif du postdoc est donc d’évaluer des matériaux piézoélectriques sans plomb et de comparer leurs propriétés à celle du matériau de référence, le PZT. Des véhicules de test simples seront réalisés dans la salle blanche du LETI pour être ensuite caractérisés au moyen de différentes techniques disponibles dans nos laboratoires pour évaluer les performances électriques et piézoélectriques de ces matériaux. Dans le but de mener à bien ce travail, le candidat pourra s’appuyer sur une solide expérience des experts LETI développée depuis maintenant presque 20 ans sur les matériaux piézoélectriques en couches minces.
Microbatteries bio-compatibles et bio-résorbables pour applications médicales
Dans le cadre de son activité micro-sources d’énergie embarquées, le LETI initie des études prospectives dans le domaine des microbatteries pour applications médicales, et plus particulièrement pour l’alimentation de micro-dispositifs implantables. A cette fin, un projet labélisé Carnot impliquant deux laboratoires du LETI (microbatteries, bio-packaging) et un laboratoire CNRS (ICMCB, Bordeaux) a pour objectif la conception et l’étude de micropiles bio-resorbables.
Les principales missions consisteront donc (i) à participer à la conception, par un choix adapté de matériaux, d’un système électrochimique en film mince assurant une alimentation électrique adéquate (tension, capacité), corrodable et solubilisable dans l’organisme de manière contrôlée, (ii) à réaliser les constituants (électrodes, électrolyte) sous forme de films minces (pulvérisation cathodique, dépôt électrolytique, enduction) et à les caractériser individuellement, (iii) à finaliser la réalisation de micropiles prototypes et à étudier leur comportement.
Le travail sera réalisé à l’ICMCB (Bordeaux) au sein d’une équipe mixte CEA/CNRS, en étroite collaboration avec les laboratoires grenoblois. Les résultats obtenus et l’activité inventive devront prioritairement faire l’objet d’une analyse de propriété intellectuelle en vue de leur protection ou exploitation, ainsi que si possible de publications scientifiques.
Simulation des matériaux par dynamique d’amas
Les alliages utilisés dans les applications nucléaires subissent une irradiation aux neutrons, laquelle introduit un grand nombre de défauts lacunaires et interstitiels. Au cours du temps, ces défauts migrent, se recombinent et s’agglomèrent pour former des amas. Ce phénomène physique affecte les propriétés mécaniques des aciers et conduit à sa fragilisation. Dans ce contexte, il est important de pouvoir simuler l’évolution de la microstructure à l’aide de la méthode de dynamique d’amas. Malheureusement, cette méthode devient inefficace lorsque plusieurs éléments d’alliage doivent être pris en compte. La difficulté provient du nombre trop élevé de variables de simulation à gérer. Le projet a pour objectif d’optimiser l’efficacité du code sur une architecture parallèle distribuée en faisant appel à des fonctions dédiées, vectorielles et matricielles, de la bibliothèque SUNDIALS. Cette librairie est utilisée pour intégrer l’équation différentielle ordinaire décrivant les réactions entre amas. Un autre aspect du travail, plus théorique, consistera à reformuler le problème non-linéaire de recherche de zéros du schéma d’intégration en tirant profit de la réversibilité des réactions chimiques. Cette propriété doit permettre la mise en oeuvre de solveurs directs et itératifs pour matrices creuses, symétriques et définies positives. Un axe de recheche explorera la combinaison des approches directs et itératives, en utilisant une méthode de factorisation multi-frontale de type Cholesky pour préconditionner des itérations de gradient conjugué.
Conception d’alliages à Haute entropie (thermodynamique prédictive, Machine learning) et fabrication rapide par frittage SPS
Le travail proposé vise à utiliser des méthodes de fouille de données (réseaux de neurones artificiels, Random Forest, processus Gaussiens) combinée avec la thermodynamique prédictive (méthode CALPHAD) pour découvrir de nouveaux alliages HEA dans le domaine à 6 éléments Fe-Al-Ni-Co-Mo-Cr. Des méthodes expérimentales de densification rapide (frittage assisté par courants électromagnétiques pulsés (SPS pour Spark Plasma Sintering)) et de dispense automatisée de poudre seront utilisées pour la fabrication rapide des compositions identifiées. Des méthodes de caractérisation semi-automatisées permettront d’alimenter des bases de données avec des mesures rapides de propriétés physiques (densité, taille de grains, dureté). La prédiction de propriétés d’usage pour deux cas d’application (corrosion par des sels fondus et propriétés mécaniques pour application structurale) sera réalisée et les alliages correspondant élaborés pour validation expérimentale.
Contrôle de l’adhésion de composites collés par des techniques ultrasonores non-linéaires
Le CEA-LIST conçoit des méthodes de contrôle non destructives (CND) innovantes dans de nombreux secteurs de l’industrie. De fortes collaborations entre le CEA-LIST et Airbus Group Innovations (AGI) sur la thématique du contrôle non destructif ont conduit à la création d’un laboratoire CEA de CND pour les Applications Aéronautiques (LC2A) au sein des équipes d’Airbus.
Le contrôle des structures composites collées constitue un enjeu majeur pour l’industrie aéronautique. La contamination des surfaces collées, les cycles thermiques ou les sollicitations mécaniques rencontrées par le joint collé peuvent conduire à des propriétés adhésives dégradées auxquels les techniques ultrasonores conventionnelles ne sont pas sensibles. Les méthodes ultrasonores non-linéaires comme par exemple le couplage d’ondes non-colinéaires, la génération d’harmoniques ou l’imagerie non linéaire présentent de fortes potentialités au regard du contrôle de l’adhésion. L’objectif de ce travail postdoctoral consistera à concevoir, mettre au point et évaluer les potentialités de ces techniques pour l’évaluation de l’adhésion des structures composites collées.
Ces travaux qui s’inscrivent dans le cadre d’un programme de recherche européen sur la thématique du collage seront menés au sein du LC2A dans les locaux d’AGI situés à Toulouse. De solides compétences en physique expérimentale, en instrumentation, en méthodes ultrasonores non-linéaires seraient appréciées.
Packaging innovant pour la puissance : application aux composants grand gap SiC
En continuité des travaux de thèse en cours sur l’assemblage 3D de composants de puissance verticaux sur technologie Si, le but de ce post-doc est de développer, à partir de l’expérience acquise, un assemblage similaire sur composants verticaux sur techno SiC. Le travail demandé sera de définir les composants (haute fréquence/haute tension) avec le fournisseur afin de les adapter au mieux à l’intégration verticale (finition Cu, topologie, …), d’adapter le design du frame pour l’assemblage 3D en conséquence, ainsi que de développer la technologie de report adaptée à ce nouveau matériau/substrat. Le candidat prendra également en charge les caractérisations électriques de l’empilement afin de démontrer les avantages de cette intégration 3D sur les composants grand-gap. En complément du sujet, une troisième source de dispositifs de puissance est disponible au laboratoire avec une analyse design approfondie à réaliser afin d’adapter les dispositifs au packaging 3D.
Implant médical actif réalisé en encapsulation hermétique verre
La micro-électronique étend ses champs d’applications via les micro-systèmes comportant des capteurs, des récupérateurs d’énergie, des modules de communication performants etc... Les implants médicaux actifs tels les pace-makers et défibrillateurs cardiaques, les dispenseurs de médicaments, les sondes neuronales etc… sont autant de domaines possibles pour ces modules à haute intégration. Le matériau verre, en alternative au silicium, monte en maturité technologique (interconnexions, amincissement, fonctionnalisation) et présente des caractéristiques ‘clé’ pour le domaine médical : biocompatibilité, herméticité, stabilité, transparence, ainsi qu’un coût réduit.
L’objectif est l’étude de l’encapsulation verre de micro-systèmes, pour des applications implants actifs.