Développement d’une cellule à Metal Support pour la production d’Hydrogène par Electrolyse à Haute Température
Le développement de Cellules à Métal Support (CMS) pour l’Electrolyse à Haute Température (EHT) constitue une innovation intéressante pour limiter les dégradations en fonctionnement de ces composants. L’augmentation de la durée de vie des cellules contribuera à réduire les coûts de revient et à positionner l’EHT comme une alternative réaliste face aux autres technologies de production d’hydrogène. La maîtrise de l’élaboration des CMS constitue toutefois un verrou important. Dans les procédés actuels, les couches fonctionnelles de la cellule sont constituées de matériaux céramiques qui sont assemblées avec le substrat métallique poreux à haute température (> 1000 °C). Les différences de comportement mécanique de ces matériaux ainsi que les conditions réductrices imposées par le métal conduisent aujourd’hui à des cellules dont les performances sont insuffisantes par rapport au cahier des charges. L’objectif du post-doctorat sera d’acquérir une meilleure connaissance des mécanismes intervenant lors de l’assemblage et de proposer et de tester des solutions technologiques pour fiabiliser l’élaboration de Cellules à Métal Support.
Mise en mouvement de gouttes par effet de gradient d’énergie de surface
La mise en mouvement de gouttes par effet d’électro-mouillage est maintenant étudiée et utilisée dans de nombreux systèmes et applications. Pour être opérante cette technique nécessite d’utiliser un champ électrique. Dans le cadre de cette étude postdoctorale, l’objectif est d’établir une méthode alternative à l’utilisation d’un champ électrique pour assurer la mise en mouvement d’une goutte de liquide. Aussi, l’élaboration de surfaces à gradient d’énergie de surface, réalisées par dépôt de couches minces ou par technique de texturation (ablation laser), est prévue. La principale difficulté technique va résider dans la maîtrise de la réalisation des motifs pour l’obtention de surfaces à énergie de surface différentes. En dehors des techniques dites « classiques » de réalisation de surface à gradient d’énergie de surface, une technique alternative avec utilisation de molécules activables par modification, soit du potentiel hydrogène (pH), soit de la température de paroi sera aussi étudié. Pour toutes les surfaces, un travail sur l’étude du couplage entre le gradient d’énergie de surface et la présence d’un gradient thermique sur la dynamique de déplacement de goutte sera aussi effectué.
Intégration de couches poreuses pour la réalisation de substrats temporaires avancés
Aujourd’hui, la course effrénée à la miniaturisation entraine des schémas d’intégration qui convergent vers des solutions de double report de films minces monocristallins permettant d’assurer une fonctionnalisation des deux faces du film augmentant ainsi la compacité et la performance des systèmes. Une solution disruptive a récemment été développée au sein du CEA-Léti basée sur l’introduction de couche en silicium poreux au cœur des procédés de fabrication des composants [a]. Ce type de technologie laisse présager un intérêt certain pour des applications de type électronique, MEMS ou encore photovoltaïque, et il convient donc désormais de valider cette technologie à plus large échelle et de cerner les mécanismes mis en jeu notamment lors de la rupture dans la couche poreuse.
Le candidat devra appréhender les spécificités des couches poreuses et de l’ensemble des étapes de réalisation nécessaires au report de film minces afin de valider et de mettre en place leur intégration au sein de démonstrateurs spécifiques qui auront été choisis. Une partie importante du travail portera sur une évaluation et une analyse scientifique du comportement des couches poreuses lors de sollicitation chimique, mécanique et/ou thermique par exemple en vue de forcer une reconstruction de surface des films poreux. Un autre axe d’étude portera sur le développement d’une technologie spécifique pour induire la rupture mécanique au sein de la couche poreuse enterrée. Le candidat devra évaluer la faisabilité d’une rupture par ultrasons et en étudier les mécanismes. Une partie importante des développements consistera également à caractériser finement les propriétés des films et des structures élaborées.
[a] A-S.Stragier et al., Journal of The Electrochemical Society, 158 (5) H595-H599 (2011)
Modélisation de la cinétique des amas de défauts interstitiels dans les métaux CC après l’implantation d’hélium.
Les matériaux de structure des réacteurs nucléaires subissent des conditions d’irradiation sévères qui peuvent modifier leurs propriétés mécaniques. Afin de pouvoir suivre la cinétique atomique qui mène à des structures complexes responsables du vieillissement de matériaux, il faut se tourner vers la simulation numérique. Dans le cadre de l’ANR EPIGRAPH nous allons combiner les techniques expérimentales et les calculs numériques pour mieux caractériser la cinétique des défauts interstitiels dans les métaux cubiques centrés. Nous avons récemment proposé une nouvelle structure tridimensionnelle périodique pour les amas d’interstitiels dans les métaux de structure cubique centrée, par opposition à la morphologie classique de la boucle bidimensionnelle [1]. La structure cristalline sous-jacente correspond à la phase de Laves C15. Ils se forment directement dans les cascades de déplacements et peuvent croître en capturant des auto-interstitiels. Afin de détecter ces amas expérimentalement, une idée est de les faire grandir après implantation d’hélium [2]. Cette démarche sera réalisée dans divers métaux CC dans le cadre du projet ANR EPIGRAPH, en collaboration avec Chimie ParisTech, GEMaC et LPS.
Dans ce projet, la tâche de modélisation comporte deux directions:
- Les calculs ab-initio, effectués par le postdoc, vont apporter les informations atomistiques sur la croissance des défauts d’irradiation.
- Les résultats des calculs ab-initio seront ensuite utilisés pour paramétrer un modèle cinétique basée sur la dynamique d’amas [3]. Ce formalisme est particulièrement bien adapté pour simuler l’évolution des amas de défauts sur de temps longs.
Le travail de modélisation sera réalisé en étroite collaboration avec la partie expérimentale.
[1] M. C. Marinica, F. Willaime, J.-P. Crocombette, Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 025501
[2] S. Moll, T. Jourdan, H. Lefaix-Jeuland, Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 015503
[3] T. Jourdan, G. Bencteux, G. Adjanor, J. Nucl. Mater. 444 (2014)
Automatisation du pilotage d’un noyau de calcul éléments finis basé sur une stratégie de décomposition de domaine. Application au contrôle non-destructif par ultrasons.
Un des axes majeurs d’activité du Département Imagerie et Simulation pour le Contrôle (DISC) du CEA LIST est de proposer un ensemble d’outils de simulation et de modélisation pour le contrôle non-destructif (CND) mis à disposition dans la plateforme de calcul CIVA. La majeure partie des outils de modélisation pour le contrôle par ultrasons, proposés par le Laboratoire de Simulation et Modélisation en Acoustique (LSMA), sont basés sur des méthodes dites semi-analytiques. Bien que très efficaces, la précision de ces méthodes est mise à défaut lorsque certains phénomènes critiques (ondes de tête, caustiques) ou des spécificités du matériau (défaut ou hétérogénéités) apparaissant lors du contrôle. Afin de palier à ces limites de validité, une des activités du LSMA est de proposer un couplage entre les méthodes semi-analytiques et des méthodes numériques. Suivant cette stratégie, un logiciel basé sur des éléments finis d’ordre élevé combinés avec une stratégie de décomposition de domaine est développé au sein du laboratoire pour des configurations 3D. L’objectif principal du travail proposé est d’augmenter la complexité des configurations accessibles à cette stratégie au sein de la plateforme CIVA , par exemple la prise en compte de conditions de couplage fluide-structure notamment pour des défauts débouchants en fond de pièce.
Synthèses de nanoparticules pour application photovoltaïque couche mince
Le poste proposé est un contrat postdoctoral de 2 ans au sein du Laboratoire de nano-Chimie et de Sécurité des Nanomatériaux, du Département de Technologies des Nano-Matériaux du LITEN. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet qui a pour ambition de développer de nouveaux matériaux absorbeurs pour la réalisation de cellules photovoltaïques couche mince à partir d’élément abondant et par des techniques bas coûts.
La personne recherchée aura préférentiellement une expérience dans la synthèse chimique de nanoparticules par des procédés humides avec une compétence matériaux, ainsi que la formulation en voie liquide et le dépôt de couches minces par les techniques précurseur liquide. Le travail portera sur la synthèse de nanoparticules par différents procédés, leurs caractérisations physicochimiques ainsi que leur mise en œuvre, tout d’abord sous forme d’encre et ensuite sous forme de couches minces déposées par voie liquide. Les conditions de dépôt et de recuit de la couche permettront d’obtenir le matériau absorbeur souhaité seront étudiées. Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un projet ANR avec plusieurs partenaires académiques et industriels avec une forte composante appliquée puisque le but final est d’aboutir à la réalisation de cellules photovoltaïques.
Purification de l’hydrogène issu d’un reformeur par un dispositif électrochimique
Ce projet vise à mettre en place un nouvel axe de recherche et développement sur les dispositifs de purification pour les reformeurs pour alimenter les piles à combustible en hydrogène. Ce travail est de première importance pour réaliser des systèmes à base de piles à combustible alimentés par différentes sources d’hydrocarbures. Utilisée en mode « power full » ou « range extender », le reformeur et son système de purification des gaz sont des éléments de la chaîne qu’il convient d’optimiser
L’objectif du projet est de proposer un dispositif électrochimique de purification du gaz issu d’un reformeur dont le principe de base s’apparente à celui d’un électrolyseur PEM. Les gaz issus du reformeur subissent une oxydation électrocatalytique sélective permettant de séparer l’hydrogène des polluants usuels et d’alimenter directement une pile à combustible.
Le projet portera principalement sur la sélection et la caractérisation des performances électrocatalytiques de catalyseurs ainsi que la réalisation de prototypes fonctionnels.
Ces développements permettront d’évaluer la pertinence économique du dispositif vis-à-vis d’autres systèmes et d’identifier les axes de recherche à développer par la suite.
Elaboration et caractérisation de matériaux composites SiCf/SiC à conductivité thermique améliorée
Les matériaux composites SiCf/SiC à matrice céramique sont actuellement envisagés comme matériaux de structure et de gainage des réacteurs nucléaires à neutrons rapides de 4ième génération. Cependant, leur utilisation pourrait être limitée du fait de leur trop faible conductivité thermique en conditions de fonctionnement (< 10 W/mK).
Les composites SiCf/SiC sont aujourd’hui élaborés par un procédé d’infiltration en phase gazeuse (CVI). Afin d’améliorer leur conductivité thermique (réduction de la porosité), il est envisagé de développer un procédé d’élaboration hybride combinant le procédé CVI et un procédé céramique en voie liquide.
L’objectif de cette étude est de déterminer les conditions d’élaboration de la matrice SiC par un procédé en voie liquide, puis de qualifier le comportement des matériaux hybrides aux plans mécaniques et thermiques, notamment par rapport à celui d’un matériau CVI de référence.
Mise en oeuvre de nanomatériaux piézoélectriques pour la réalisation de capteurs et systèmes flexibles grandes surfaces
Le CEA LETI développe des capteurs innovants ultrasouples permettant la mesure de contraintes en exploitant les propriétés piézo-électriques de nanofils de Nitrure de Gallium (GaN) auto organisés. Les étapes de fabrication sont : i) croissance des nanofils, ii) organisation des nanofils, iii) encapsulation, iv) établissement des contacts. Des démonstrateurs ont déjà été réalisés sur de petites surfaces (1,5 cm²) en utilisant la technique du Langmuir Blodgett pour permettre l’organisation des nanofils. Ce projet vise à augmenter la surface des capteurs et à contrôler l’assemblage 1D et 2D des nanofils, en utilisant notamment une technologie au déroulé innovante du CEA LITEN, appelée Boostream®, dont les fonctionnalités sont similaires au LB dans sa configuration de base.
Le but de ce post doctorat est de développer une nouvelle brique technologique pour l’équipement Boostream® afin de permettre une organisation contrôlée des nanofils dans une configuration prédéfinie. Le candidat aura en charge d’optimiser l’assemblage des nanofils,l’obtention du film structuré ainsi que la fabrication, l’intégration et la caractérisation des transducteurs piézoélectriques aux dimensions de 15x15 cm².
Plus généralement, ce post doc donne l’opportunité de développer une connaissance générique pour manipuler des micro ou nanofils ou encore des fibres donnant accès à de nouvelles solutions techniques pour de nombreux domaines applicatifs comme la structuration de surface, la peau électronique, l’énergie…
Dispositif d’analyse in situ par LIBS de milieux hostiles hautes températures
Le projet de recherche proposé vise à mettre au point un dispositif d’analyse in situ par la technique LIBS de milieux liquides en conditions extrêmes comme les matériaux à haute température de fusion ou les métaux liquides hautement volatils utilisés pour le développements de la production d’énergies décarbonnées. Le projet met en œuvre deux équipes du CEA spécialisées dans l’instrumentation LIBS, le développement analytique et les milieux à haute température.
A haute température, les métaux fondus présentent une forte réactivité en surface conduisant à des processus d’oxydation, nitruration... L’analyse non intrusive de cette surface par LIBS conduit à des résultats non représentatifs de la composition du métal fondu. Dans ce projet, un nouveau concept d’analyse intrusive en volume, basé sur un brassage mécanique couplé au dispositif d’analyse par LIBS est préconisé. Ce concept, protégé par un brevet CEA, permet le renouvellement de la surface du métal en fusion en maintenant une meilleure stabilité de la surface à analyser. Le projet aura pour objectif de mettre au point un démonstrateur dédié à l’analyse de tels milieux par LIBS, qui sera validé pour l’analyse d’impuretés dans le silicium liquide (T > 1450 °C) pendant les procédés de purification et de cristallisation pour les applications solaires photovoltaïques. A l’issue du projet, le système pourra être adapté puis testé au sein des équipes de la DEN pour l’analyse in situ de la pureté du sodium liquide, fluide caloporteur des réacteurs nucléaires de génération 4.