Étude thermodynamique des matériaux à transition métal-isolant - Le cas du VO2 dopé pour les applications de fenêtres intelligentes

Ce post-doc vise à développer une base de données thermodynamiques spécifique sur le système V-O-TM (TM=Fe,Cr,W) en utilisant l'approche CALPHAD. Le candidat mènera des campagnes expérimentales afin d'obtenir des données pertinentes pour alimenter les modèles thermodynamiques. Le candidat utilisera principalement l'équipement expérimental disponible au laboratoire (DTA, fours de recuit, spectrométrie de masse à haute température, chauffage laser, SEM-EDS). En outre, le post-doc pourra participer à des activités combinatoires à haut débit menées par d'autres laboratoires du consortium Hiway-2-Mat (par exemple, ICMCB à Bordeaux), permettant une meilleure connexion entre les résultats de la simulation CALPHAD et la plateforme de caractérisation accélérée. La base de données thermodynamiques sera ensuite incluse dans la routine de recherche autonome mise en œuvre dans la voie d'exploration des matériaux.

Séparation cryogénique d'un mélange de gaz

L'exploitation d'une installation nucléaire au sein du CEA Valduc nécessite de mettre en oeuvre un procédé cryogénique pour séparer des espèces présentes dans un mélange gazeux. Le point notable est que le procédé doit permettre de séparer des espèces en très faible concentration, et sous différentes formes chimiques. Le procédé fait actuellement l'objet d'étude, et un prototype a été développé par le CEA sur le site de Grenoble. Le sujet de post-doctorat proposé consiste à participer à des essais sur le pilote et aux moyens d'analyses associées, puis de traiter les résultats obtenus. Le candidat s'insérera dans une équipe pluridisciplinaire, sur un sujet mêlant à la fois du génie des procédés, de la thermique / cryogénie et de l'analyse chimique d'éléments à l'état de trace. Les résultats obtenus sur les analyses de gaz à l'état de trace pourront être valorisés par des communications scientifiques.

L'objectif du post-doctorat sera de réaliser des essais de séparation sur le pilote. A ce titre, il sera amené à se rendre régulièrement sur le site du CEA Grenoble (lieu où se trouve le pilote) pour réaliser des campagnes d'essais. Le candidat travaillera également sur une thématique analyse, avec la mesure de composés à l'état de trace dans une matrice gazeuse. Une analyse des résultats sera ensuite réalisée, et suivie de la rédaction de documents scientifiques tels que des rapports et des communications scientifiques. L'ensemble des résultats devra permettre de définir de manière plus précise la faisabilité de la séparation envisagée et l'exploitation de ce procédé dans un environnement nucléaire.

Dans le cadre de ses missions, il est attendu du post-doctorant les qualités suivantes : capacité d'adaptation, travail en équipe, rigueur et capacité à rendre compte.

Phénoménologie des interactions de plasmas en milieu liquide : application à la fabrication de matériaux pour les cibles laser

Le CEA mène des expériences de Physique sur le Laser Méga Joule mettant en œuvre des cibles constituées de matériaux de nature et géométrie adaptées à la classe d'expériences. Dans ce contexte, le CEA poursuit des développements sur la synthèse de mousses métalliques obtenues par plasma électrolytique basse tension.
Après application d'une tension suffisante entre deux électrodes plongées dans une solution aqueuse, un plasma (streamer) est généré dans le liquide. Une mousse métallique ultralégère et nano-structurée se forme à la cathode. Ce procédé permet la fabrication de matériaux métalliques mésoporeux de faible masse volumique apparente.
Deux thèses ont montré que les paramètres primaires de synthèse des mousses influencent la structure des mousses. Il s'avère que la réduction des cations métalliques s'effectue au sein du plasma ce qui explique que la cristallisation de la mousse reproduit la morphologie du streamer. Le sujet consiste à modéliser les différentes étapes physiques du procédé et confronter ces résultats numériques aux caractérisations qui seront effectuées par GDOES, caméra rapide,etc, à l'Institut Jean Lamour de Nancy.

Influence de la largeur de bande et de la longueur d'onde du laser sur les instabilités paramétriques

Dans le cadre du projet Taranis initié par Thales et supporté par BPI France et en collaboration avec de nombreux partenaires scientifiques tels que le CEA/DAM, le CELIA et le LULI, un travail de dimensionnement d'une cible et d'un laser destiné à la production d'énergie en attaque directe va avoir lieu. Un prérequis à ce travail, est de comprendre les mécanismes d'interaction laser-plasma qui vont se produire lors du couplage du laser avec la cible. Ces mécanismes délétères pour la réussite des expériences de fusion peuvent être régulés par l'utilisation de laser dits « large-bande ». En outre, le choix de la longueur d'onde laser utilisée pour le dimensionnement de la cible et de l'architecture laser doit être défini. L’objectif du stage est d'étudier la croissance et l'évolution de ces instabilités (Brillouin, Raman) en présence de lasers « large bande » à la fois d'un point de vue expérimental que simulation, et ainsi de pouvoir définir les conditions lasers permettant de réduire ces instabilités paramétriques.

Modélisation thermodynamique du revêtement protecteur pour des cellules d'électrolyse à oxyde solide

Dans la poursuite d'un avenir énergétique durable, les cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) sont une technologie très prometteuse pour produire de l'hydrogène décarboné par électrolyse de l'eau à haute température (entre 500 et 850°C). Bien qu'une température de fonctionnement élevée offre de nombreux avantages (haut rendement et bas coût), elle peut entraîner une dégradation des interconnecteurs. Des revêtements sont proposés pour améliorer les performances à long terme des interconnecteurs et réduire les problèmes de corrosion. L'objectif est de trouver les meilleurs candidats au revêtement avec une stabilité thermodynamique élevée, une conductivité électrique élevée et une faible diffusion des cations. Dans ce contexte, vous rejoindrez l'équipe LM2T au sein du projet DIADEM (https://www.diadem.cnrs.fr/2023/03/29/atherm_coat/) pour les matériaux innovants.
Votre rôle consistera à :
1)Effectuer des simulations thermodynamiques en utilisant la méthode CALPHAD et le logiciel Thermo-Calc pour prédire la gamme de stabilité d'un ensemble de candidats revêtements (par exemple, oxydes spinelles et pérovskites) et les réactions de décomposition possibles dans différentes conditions atmosphériques (température et pression partielle d'oxygène). Au cours de cette étape, le candidat effectuera également un examen critique des données thermodynamiques disponibles dans la littérature.
2)Coupler les informations obtenues à partir des calculs CALPHAD et des bases de données thermodynamiques pour estimer l'expansion thermique et la conductivité électrique des compositions les plus prometteuses.
Le candidat travaillera en étroite collaboration avec l'équipe expérimentale (ISAS/LECNA et UMR-IPV) produisant les revêtements afin de guider les futurs essais et d'adapter la méthode pour mieux répondre aux besoins de production à grande échelle.

Développement instrumental sur le TEM Jeol NeoARM pour la cartographie EELS et de champs de déformations rapide et à faible dose

L'objectif principal est de se concentrer sur le développement instrumental pour le NeoARM 200F. En collaboration étroite avec un ingénieur familiarisé avec l'automatisation pour le TEM, l'équipe aura pour mission d'automatiser l'alignement, l'interface et le traitement du flux de données pour le filtre et divers détecteurs afin de permettre des applications de pointe. La première partie du projet se concentrera sur la cartographie rapide, précise et à faible dose des déformations à l'échelle nanométrique. Pour y parvenir, nous utilisons Nanomegas ASTAR ainsi que d'autres générateurs de balayage universels pour acquérir des données de diffraction électronique par précession de balayage (SPED). Le CEA possède une expertise bien établie dans la cartographie des contraintes en TEM [e.g., D. Cooper et al., Micron 80 (2016) 145]. Actuellement, il existe un fort désir de repousser les limites de cette technique pour générer des résultats en temps réel de haute qualité. Pour cet aspect de mesure de déformations, nous évaluerons les avantages fournis par des composants tels que le détecteur TimePix3 et le filtrage en énergie des diagrammes de diffraction. Des algorithmes commerciaux et internes pour le traitement des diagrammes de diffraction seront développés et comparés. La deuxième partie du projet se concentrera sur le détecteur TimePix3 pour la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) réalisée avec le fitre CEFID de CEOS. En mode d'acquisition basé sur l'image, les performances de STEM-EELS en utilisant le détecteur TimePix3 seront évaluées et mises en évidence (par exemple, tomographie simultanée EELS/EDX). De nouvelles stratégies pour améliorer le rapport signal/bruit de l'EELS pour les caméras électroniques directes seront également explorées. L'exploitation du TimePix3 en mode basé sur les événements, y compris la coïncidence EELS/EDX et l'imagerie à faible dose et grande vitesse, fera également partie du projet le cas échéant.

Matériaux cristallins pour l’extraction sélectives de cations métalliques monovalents : compréhension du lien entre structure cristalline et sélectivité

L’extraction sélective de cations métalliques monovalents de solutions aqueuses de compositions complexes est une étape clé dans de nombreux domaines liés à l’énergie. Au cours de cette étude, des adsorbants spécifiques pour le Cs, en vue d’une décontamination d’effluents produits par l’industrie nucléaire, et pour le Li, afin de pouvoir extraire et récupérer ce métal stratégique pour le développement de batteries, seront étudiés. De par leur modularité en terme de porosité et de structure, les oxydes cristallins (type zéolithe) sont prometteurs pour extraire sélectivement de tels cations. Afin de comprendre le rôle de leur microstructure sur leurs performances et mécanismes de sorption/désorption, il est important de pouvoir identifier les sites de sorption sélectifs au sein de ces structures cristallines.
L’objectif de ce travail de recherche est ainsi, d’une part, de synthétiser des structures cristallines permettant la sorption sélective du Cs ou du Li. Puis, grâce à des caractérisations fines à l’échelle atomique ainsi que des travaux de reconstruction de structures, nous allons chercher à identifier la localisation des sites sélectifs de sorption au sein de ces matériaux et, de cette manière, mieux comprendre leurs mécanismes et propriétés de sorption.
Pour ce contrat post-doctoral, nous recherchons un docteur en science des matériaux possédant de fortes compétences en synthèse et en caractérisation de matériaux cristallins par diffractions des rayons X. Une expérience sur l’étude d’oxydes cristallins, type zéolithe, serait un plus.

Développement et application de la technique TERS/TEPL pour la caractérisation avancée des matériaux

Le TERS/TEPL (Tip-Enhanced Raman Spectroscopy and Tip-Enhanced Photoluminescence) est une approche puissante pour la caractérisation des matériaux à l'échelle nanométrique. L'acquisition récente d'un équipement TERS/TEPL unique à la PFNC (Plateforme de Nano-caractérisation) du CEA LETI ouvre de nouveaux horizons pour la caractérisation des matériaux. Cet équipement combine la spectroscopie Raman, la photoluminescence et microscopie en champ proche. Il offre également des capacités multi-longueurs d'onde (de l'UV au proche infrarouge), permettant une large gamme d'applications et offrant des informations inégalées sur la composition, la structure et même les propriétés mécaniques/électriques des matériaux à une résolution nanométrique. Ce projet post-doctorat vise à développer et accélérer la mise en œuvre de cette nouvelle technique à la FPNC afin d'exploiter pleinement son potentiel dans différents projets du CEA (LETI/LITEN/IRIG) et de ses partenaires.

Micro-usinage de thermoplastiques pour la fabrication de microsystèmes analytiques

Les techniques de micro-fabrication et notamment le micro-usinage permettent le prototypage rapide (quelques jours) de microsystèmes, au plus proche de l’application. Le polyméthacrylate de méthyle (PMMA - Nom commercial Plexiglas) est un matériau communément utilisé pour la fabrication de microsystèmes mais dont la résistance chimique aux acides et aux solvants est limitée.
L’objectif de ce post-doctorat est d’étudier la possibilité de l’usinage de matériaux alternatifs au PMMA et d’optimiser les paramètres de fabrication associés. Le post-doctorat débutera par la sélection des matériaux en fonction des applications visées (propriétés optiques, physiques et chimiques). Les matériaux seront choisis parmi la famille des thermoplastiques (PC, POM, PS, PEHD, PEEK, PVC, PP, PTFE, ULTEM, etc).
L’optimisation de l’étape de micro-usinage sera réalisée en faisant varier de nombreux paramètres comme la vitesse de rotation de l’outil, les vitesses d’avances, la profondeur de passe, etc. Les surfaces et canaux obtenus seront caractérisés par profilométrie optique ou mécanique, microscopie optique et/ou microscopie électronique à balayage.

Plasticité cristalline en Dynamique Moléculaire classique et passage à l'échelle mésoscopique

Grâce aux nouvelles architectures des supercalculateurs, les simulations de dynamique moléculaire classique (DM) entreront bientôt dans le domaine du millier de milliard d’atomes, jamais atteint jusque là, devenant ainsi capables de représenter la plasticité des métaux à l’échelle du micron. Pour autant, de telles simulations génèrent une quantité considérable de données et la difficulté réside désormais dans leur exploitation, afin d'en extraire les ingrédients statistiques pertinents pour l’échelle de la plasticité « mésoscopique » (échelle des modèles continus).
L'évolution d'un matériau est complexe car elle dépend de lignes de défauts cristallins très étendues (les dislocations) dont l’évolution est régie par de nombreux mécanismes. Afin d'alimenter les modèles aux échelles supérieures, les grandeurs à extraire sont les vitesses et la longueur des dislocations, ainsi que leur évolution au cours du temps. L’extraction de ces données peut se faire par des techniques d'analyse spécifique basées sur la caractérisation de l'environnement local ('distortion score', 'local deformation'), a posteriori ou in situ au cours de la simulation. Enfin, les outils du machine learning peuvent intervenir afin d’analyser la statistique obtenue et d’en extraire et synthétiser (par réduction de modèle) une description minimale de la plasticité pour les modèles aux échelles supérieures.

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