Développement de diodes à avalanche InGaAs/InP reportées sur substrats silicium
La mesure de distance, l’imagerie 3D et le LIDAR nécessitent des détecteurs fonctionnant dans le proche infrarouge afin d’atteindre de longues portées (> 20 mètres) tout en garantissant la sécurité oculaire des utilisateurs. La technologie la plus répandue repose sur des photodiodes sensibles à l’infrarouge en InGaAs, associées à une couche d’InP permettant l’amplification du signal par effet d’avalanche.
En partenariat avec le laboratoire de nanotechnologie (INL) de l’INSA Lyon, cette thèse a pour objectif de comprendre en détail les limites de la miniaturisation des pixels, l’impact des conditions de croissance des matériaux ainsi que les phénomènes de transport électrique à l’hétérojonction InGaAs/InP. De nouvelles architectures de diodes seront conçues et fabriquées afin d’améliorer leurs performances (taille des pixels, tension de fonctionnement, circuit de quench, etc.). À terme, l’utilisation du report sur des wafers de grand format permettra d’évaluer le changement d’échelle nécessaire à la fabrication de matrices et de barrettes de détecteurs.
Des simulations TCAD seront réalisées afin d’analyser les différents régimes de fonctionnement des diodes (modes APD et SPAD) et de proposer de nouvelles architectures. Ces travaux s’appuieront sur des études matériaux (épitaxie, essais de diffusion), des caractérisations physiques (MEB, XRD, etc.) ainsi que sur le développement de nouveaux empilements technologiques en étroite collaboration avec la salle blanche. Avec le soutien des experts et grâce aux équipements de pointe du LETI, le doctorant mènera les caractérisations électro-optiques des différentes boucles de conception-fabrication afin d’optimiser les structures développées en vue de leur intégration collective sur des substrats de grand format.
Compréhension des évolutions microstructurales au cours des traitements thermiques pour les aimants SmCo riches en fer
Les performances magnétiques des aimants en SmCo (rémanence et coercitivité) sont liées à leur microstructure. La microstructure finale sera développée après frittage lors de traitements thermiques d’homogénéisation et de vieillissement. La température et/ou la durée optimales de ces traitements dépendent de la composition de l'aimant. L'un des axes de développement majeurs pour les aimants commerciaux Sm2Co17 consiste à obtenir à la fois des performances magnétiques élevées et une réduction des matières critiques (le cobalt notamment). Ceci est réalisé par substitution d’une partie de Co avec du Fe, ce qui permet également de réduire les couts des matières premières. Cependant, la littérature montre que lorsque la teneur en Fe dépasse 20 % en poids, la coercitivité des aimants est détériorée.
L’objectif de la thèse sera de comprendre le rôle et la sensibilité des paramètres du procédé qui pilotent l’évolution de la microstructure au sein d’aimants Sm2Co17 riches en Fe et des propriétés qui en découlent. Ces évolutions seront suivies par différentes caractérisations (analyses chimiques, mesures magnétiques, observations MEB et MET, …) effectuées sur des échantillons prélevés lors des différentes étapes du procédé. L’objectif est de suivre de façon systématique (et pour la première fois sur ce type d’aimants) les transformations structurales (ségrégations chimiques, évolution de la teneur en Sm, présence de défauts, contamination en oxygène, etc…) intervenant, depuis la synthèse de l’alliage jusqu’à l’aimant final. Ces caractérisations doivent permettre d’aboutir à une description des mécanismes de formation de la microstructure attendue. Ces mécanismes sont activés lors des différents traitements thermiques mais l’influence de l’état métallurgique et chimique (par exemple la densité de défauts et l’inhomogénéité chimique) hérité des étapes précédentes du procédé est encore mal connu et devra être précisé.
Mise à l’échelle des jumeaux numériques de réseau par une gestion adaptative de la fidélité
Les futurs systèmes de communication, tels que les réseaux 6G, évoluent vers des infrastructures hautement distribuées, autonomes et hétérogènes, intégrant des architectures de continuum cloud-edge, l’Open RAN (O-RAN), des déploiements massifs d’objets connectés (IoT), l’informatique en périphérie (edge computing) et des environnements radio particulièrement dynamiques.
Ces systèmes devront prendre en charge des services exigeants tels que les communications critiques, l’automatisation industrielle, la mobilité autonome et les applications immersives, tout en fonctionnant dans des conditions caractérisées par un trafic fortement variable, des changements fréquents de topologie, une disponibilité fluctuante des ressources ainsi que des exigences strictes en matière de latence et de fiabilité.
La gestion de tels systèmes, notamment pour réaliser des opérations de configuration, d’optimisation et d’évolution sans risque, devient de plus en plus complexe. Cette difficulté est particulièrement marquée lorsqu’il s’agit d’effectuer une optimisation du réseau en temps réel, des analyses prospectives (« what-if »), du diagnostic de pannes ou encore de planifier des mises à niveau et des extensions du réseau.
Afin de répondre à ces défis, plusieurs initiatives de recherche récentes se sont intéressées à l’application du paradigme des jumeaux numériques aux réseaux de communication, donnant naissance au concept de "Network Digital Twins (NDTs)" ou "jumeaux numériques de réseau".
Un jumeau numérique de réseau est une représentation virtuelle d’un réseau de communication qui reste suffisamment synchronisée avec l’infrastructure physique pour reproduire son état opérationnel et son comportement, permettre des analyses prédictives et évaluer des scénarios hypothétiques avant l’application de décisions au système réel.
Cependant, maintenir un NDT précis et temporellement cohérent dans des réseaux de grande échelle et fortement dynamiques demeure un défi majeur.
Les NDT actuels reposent principalement sur des mécanismes explicites de synchronisation afin de préserver la fidélité entre les systèmes physique et virtuel. Bien que des travaux récents aient introduit des mécanismes de prédiction assistés par l’intelligence artificielle pour réduire la surcharge liée à cette synchronisation, ces approches ne résolvent pas entièrement le problème de l’adaptation dynamique de la fidélité du NDT en fonction de l’incertitude des prédictions, de la valeur de l’information, de la dynamique du réseau et des exigences opérationnelles.
La fidélité adaptative peut être interprétée comme un mécanisme de représentation multi-résolution, dans lequel le jumeau numérique ajuste dynamiquement sa granularité d’observation, son coût de synchronisation et sa précision de reconstruction en fonction de la valeur de l’information, de l’incertitude prédictive, de la dynamique du réseau et des ressources disponibles.
L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, développer et valider un cadre de gestion adaptative de la fidélité (Adaptive Fidelity Management) permettant la mise en œuvre de jumeaux numériques de réseau évolutifs, efficaces en ressources et adaptés aux futurs systèmes de communication.
Optimisation statistique de la calibration des modèles de lithographie
Cette thèse offre l'opportunité de développer des méthodes statistiques pour optimiser et calibrer les modèles de lithographie utilisés pour générer des conceptions optimales de photomasques au moyen de la correction optique de proximité (OPC).
Les dispositifs microélectroniques à haute densité de circuits sont très demandés et font l'objet de recherches et d'études approfondies par les industries. Une façon d'obtenir une densité de circuit plus élevée consiste à diminuer la dimension ou le pas du motif. Cependant, à mesure que la dimension du motif diminue, le défi de fabrication augmente. Une technique d'amélioration de la résolution (RET) telle que l'OPC doit donc être utilisée pour générer un photomasque de tels circuits.
OPC vise à améliorer la fidélité du motif de plaquette en compensant les erreurs dues aux effets optiques ou de processus lors des étapes de fabrication. Pour mettre en œuvre cette correction, un modèle de lithographie doit être généré en tenant compte du système d'exposition et des caractéristiques de la photorésiste. Ces modèles sont calibrés à l'aide d'un très grand volume de données expérimentales qui incluent des mesures CD-SEM et des contours extraits d'images SEM. L'acquisition des données et le post-traitement des images constituent un goulot d'étranglement dans le flux d'étalonnage des modèles, consommant énormément de temps et de ressources.
Durant la période de thèse, les travaux seront axés sur :
Modèles de test innovants pour optimiser les données d'entrée pour l'étalonnage du modèle
Optimisation statistique et algorithmique du flux de calibrage du modèle
Impact de la variabilité des données expérimentales sur les modèles de lithographie
Composant photonique d'extraction par couplage évanescent pour l'interaction optique guidée/optique espace libre
L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle classe de dispositifs optiques destinés à assurer l'interface entre les circuits photoniques intégrés (PIC, Photonic Integrated Circuits) et l'optique en espace libre. Ces dispositifs ont été étudiés dans le cadre d'un travail fondateur réalisé lors d'une précédente thèse. Ils reposent sur l'utilisation d'une structure prismatique obtenue par nano-impression et fixée à la surface d'un PIC. Grâce au couplage évanescent et aux réflexions au sein de cette structure, les ondes guidées peuvent être transférées du PIC vers un système optique externe. L'utilisation de matériaux électro-optiques pourrait permettre à cet extracteur de proposer des applications intéressantes en tant qu'extracteur commutable.
Le ou la doctorant(e) approfondira la théorie du dispositif afin d'en améliorer les performances. Il ou elle mènera des expériences portant sur l’intégration (packaging), l'holographie et la caractérisation des PIC. Son objectif sera de fabriquer une large gamme de dispositifs prototypes destinés à être testés. Une attention particulière sera portée à l'évaluation du comportement des dispositifs fabriqués sur une large plage spectrale, allant du visible à l'infrarouge proche.
Le ou la doctorant(e) utilisera un logiciel de simulation FDTD (Finite-Difference Time-Domain) afin d'évaluer les caractéristiques de propagation de l'onde lors de sa transition d'un milieu confiné vers l'espace libre. Il ou elle définira les structures prismatiques optimales qui seront reproduites par nano-impression. Il ou elle intégrera ces structures polymères sur des échantillons de PIC au moyen de protocoles délicats de transfert et de collage en salle blanche. Il ou elle enregistrera des éléments optiques micro-holographiques à l'aide de lasers afin d'améliorer les capacités angulaires du dispositif final. Une grande partie de la thèse sera consacrée à la mise en œuvre et à l'utilisation de bancs expérimentaux optiques.
Développement de matériaux piézoélectriques KNN durables et flexibles : vers une alternative aux céramiques à base de plomb et aux polymères fluorés
Le sujet vise à développer des films minces piézoélectriques à base de niobate de potassium et de sodium (KNN), sans plomb et sans PFAS (substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées), compatibles avec des substrats flexibles, en réponse directe aux contraintes réglementaires et environnementales croissantes pesant sur les matériaux piézoélectriques conventionnels. Les céramiques PZT (titano-zirconates de plomb) et les polymères PVDF (polyfluorure de vinylidène) , aujourd’hui majoritaires, présentent en effet des limitations majeures liées respectivement à la toxicité du plomb et à la persistance environnementale des PFAS. Dans ce contexte, l’identification de matériaux alternatifs durables et intégrables constitue un enjeu stratégique pour le CEA, notamment pour l’électronique flexible appliquée aux dispositifs médicaux, embarqués et responsables.
Les KNN figurent parmi les alternatives les plus prometteuses grâce à leurs propriétés piézoélectriques élevées et à leur température de Curie élevée. Leur intégration sous forme de couches minces reste toutefois fortement limitée par des températures de cristallisation supérieures à 600 °C, incompatibles avec les substrats polymères. L’objectif du projet est de lever ce verrou en développant un procédé innovant de dépôt par voie sol-gel combustion, permettant une cristallisation localisée ou globale à basse température (<350 °C), compatible avec des substrats flexibles. Au-delà du système KNN, cette approche pourrait constituer un levier méthodologique générique, transposable à une large gamme d’oxydes fonctionnels (semi-conducteurs, diélectriques, ferro- et magnéto-électriques), avec un impact transverse fort pour plusieurs thématiques du CEA.
Le projet se positionne de manière fortement différenciante par rapport à l’état de l’art, où peu de travaux démontrent une cristallisation fonctionnelle d’oxydes complexes à basse température sur substrats flexibles. Il contribuera à positionner les équipes du CEA comme acteurs pionniers, voire leaders, sur les matériaux oxydes post-PZT et post-PVDF-TrFE, et plus largement sur les procédés basse température pour l’électronique durable.
Le programme de travail repose sur une collaboration structurante entre les laboratoires du Liten et de l’IRIG, combinant synthèse chimique, ingénierie des précurseurs, procédés de dépôt et caractérisations structurales et électro-fonctionnelles avancées. Le financement permettra le recrutement d’un doctorant, acteur central de cette collaboration, qui développera une expertise transverse rare à l’interface entre chimie des matériaux, physique des couches minces et procédés basse température, contribuant durablement au renforcement des compétences du CEA.
Les résultats attendus incluent la démonstration de films minces KNN cristallisés à basse température sur substrats flexibles, la levée de verrous procédés majeurs, des publications de haut niveau, des brevets, et la consolidation d’un socle méthodologique exploitable à l’échelle du CEA pour le développement de matériaux oxydes fonctionnels innovants.
Développement d’un nano-coating zwitterionique bifonctionnel pour les aptacapteurs – un nouveau linker pour sondes biologiques qui supprime les adsorptions non-spécifiques
Le domaine du développement des biocapteurs se heurte régulièrement à la problématique des signaux non-spécifiques. L’apparition de ces signaux limite bien souvent les performances des biocapteurs et complique in-fine les transferts industriels. Le synoptique de fonctionnalisation pour les biocapteurs se résume généralement en trois étapes, i) fonctionnalisation du transducteur avec une molécule linker, ii) immobilisation d’une sonde biologique (anticorps, aptamères, oligonucléotides…) grâce au linker, iii) traitement avec l’entité de blocage des interactions non-spécifiques. La littérature regorge de solutions qui font la part belle au blocage de ces interactions non-spécifiques avec différents types d’entités chimiques ou biologiques : protéines (BSA, caséine…), polymères (PEG, PVP) ou petites molécules (éthanolamine, hexylamine...).
Pour autant, une approche alternative de fonctionnalisation avec un linker offrant à la fois la capacité d’immobiliser des sondes biologiques, tout en assurant le blocage des interactions non-spécifiques représente une piste innovante pour le développement de biocapteurs.
Ce projet de thèse consiste à explorer le design et la fonctionnalisation de surface avec un nano-coating bifonctionnel répondant à cette approche. Concernant le blocage, les polymères zwitterioniques seront au coeur du développement. En effet, de nombreux travaux démontrent leur capacité à réduire drastiquement les interactions des milieux biologiques complexes avec les surfaces qui en sont pourvues. Par ailleurs, il est possible d’exploiter les fonctions chimiques de certains types de zwitterions pour immobiliser à la demande des sondes biologiques. Après avoir optimisé leur activité en phase homogène, des aptamères seront immobilisés sur des transducteurs silicium (QCM-d et puce photonique) par l’intermédiaire du nano-coating zwitterionique bifonctionnel. L’objectif de la thèse est d’obtenir une preuve de concept d’un biocapteur fonctionnalisé avec ce linker qui assure la réduction des signaux non-spécifiques tout en assurant la détection spécifique de la cible envisagée (modèle Tyrosinamide) dans des milieux modèles et complexes issus du biomédical, tels que le sérum ou le plasma.
Caractérisation des propriétés physico-chimiques de résidus solides issus de carbonisation hydrothermale de biomasses
La carbonisation hydrothermale (HTC pour Hydrothermal Carbonisation) est un procédé de conversion thermochimique mené en milieu aqueux entre 180 et 260°C, à une pression de 2 à 6 MPa. Le produit principal issu de la biomasse est un résidu solide carboné (appelé hydrochar). Les applications envisagées pour l’hydrochar sont variées : combustion, gazéification, adsorption, catalyse, amendement des sols, carbone dur pour accumulateurs Na-ion, …, chacune nécessitant des propriétés spécifiques.
L’objectif de la thèse est de caractériser et mieux comprendre l’origine de différentes propriétés physico-chimiques des résidus carbonés issus de l’HTC de biomasses. L’attention sera portée en particulier à l’hydrophobicité et aux capacités de séchage, aux caractéristiques physiques et texturales des particules obtenues (porosité, granulométrie, surface spécifique) ainsi qu’aux caractéristiques chimiques (composition). L’influence du type de biomasse et des conditions de l’HTC sur ces propriétés sera évaluée.
La démarche s’appuiera sur : des expérimentations HTC en réacteurs batch sur différentes biomasses préalablement sélectionnées, ainsi que la mise en œuvre de différentes techniques de caractérisation des hydrochars ; une analyse des résultats visant à déterminer des corrélations entre les caractéristiques, en élucidant les liens entre la ressource et les propriétés de l’hydrochar en fonction des conditions opératoires.
Structure de type Dual Active Bridge à base d’Interrupteurs Synthétiques SiC pour la stabilisation active ultra-rapide d’un réseau électrique DC à faible inertie car basé sur des convertisseurs.
Avec l’arrivée massive de technologies en courant continu (DC) sur le réseau électrique, et en particulier avec le photovoltaïque et le stockage électrochimique connecté réseau, une part croissante de l’énergie transite par des convertisseurs statiques. Contrairement aux réseaux à prédominance de machines tournantes, qui bénéficient d’une inertie élevée, les réseaux à dominance d’électronique de puissance n’ont qu’une inertie très limitée, et peuvent alors subir des pics, chutes, voire effondrement de tension très dynamiques. Des travaux portent sur l’inertie synthétique, émulée par un contrôle spécifique des convertisseurs statiques, mais ces approches dépendent des fabricants et ne s’appuient pas sur une normalisation établie. Une autre voie consiste à concevoir des équipements spécifiques dédiés à la stabilisation active des réseaux électriques à faible inertie, c’est ce que nous proposons d’explorer à travers cette thèse.
Un cas particulièrement contraignant concerne les réseaux à MVDC, qui reposent par construction à 100% sur les convertisseurs statiques, qui ont donc une inertie naturelle extrêmement faible, et imposent l’usage de convertisseurs statiques reposant sur des technologies spécifiques. Nous proposons dans le cadre de cette thèse l’étude et la preuve de concept d’un convertisseur relié à un réseau électrique MVDC à une tension de 6 à 12 kV, et permettant d’y apporter ou d’y prélever de très hauts niveaux de puissance de manière transitoire, de l’ordre de la dizaine de megawatt pendant une durée de 10 µs à 100 ms. Le système reposera un convertisseur isolé de topologie Dual Active Bridge (DAB) utilisant un bus capacitif à moyenne tension au primaire.
Ce sujet d’électronique de puissance, assez multiphysique, comporte plusieurs verrous technologiques. Des interrupteurs synthétiques (composants SiC mis en série, sujet d’une précédente thèse au laboratoire) devront être mis en œuvre dans un convertisseur DAB réel. L’alimentation fortement isolée des gate-drivers de ces interrupteurs synthétiques devra être conçue. Le dimensionnement du transformateur moyenne fréquence du DAB devra permettre, dans un volume à minimiser, de transférer une puissance très élevée de manière transitoire. Une attention particulière portera ainsi sur le caractère transitoire du dimensionnement, en cherchant à identifier les leviers permettant de maximiser, au sein d’une structure complexe, le ratio entre la puissance nominale et la puissance crête du convertisseur.
Une ouverture applicative sera également faite vers d’autres applications à puissance pulsée qui pourraient bénéficier de ce convertisseur, afin de tenir compte de leurs contraintes spécifiques.
Développement de microcalorimètres magnétiques ultra haute résolution pour l’analyse isotopique d’actinides par spectrométrie de photons X et gamma
Le sujet de thèse porte sur le développement de microcalorimètres magnétiques (CMM) ultra haute résolution pour améliorer l’analyse isotopique d’actinides (uranium, plutonium) par spectrométrie X et gamma autour de 100 keV. Cette analyse, essentielle dans le cycle du combustible nucléaire et la lutte contre la prolifération, repose traditionnellement sur des détecteurs HPGe, dont la résolution limite la précision. Pour surmonter ces limites, le projet vise à utiliser des détecteurs cryogéniques de type CMM fonctionnant à des températures inférieures à 100 mK et capables d’atteindre une résolution énergétique dix fois meilleure que celle des HPGe. Les détecteurs CMM seront microfabriqués au CNRS/C2N avec des composants supraconducteurs et paramagnétiques, puis testés au LNHB. Une fois étalonnés, ils serviront à mesurer avec précision les spectres de photons des actinides afin de déterminer avec précision les paramètres fondamentaux atomiques et nucléaires des isotopes étudiés. Les résultats obtenus enrichiront les bases de données nucléaires et atomiques utilisées dans les codes de déconvolution permettant une analyse isotopique d'actinides plus fiable et précise.