Développement d’un système d’encapsulation multicouche pour la production de microcapsules cœur-coque adaptées à la croissance et la maturation d’organoïdes
Chaque année, 20 millions de personnes dans le monde sont diagnostiquées avec un cancer, 9.7 millions en décèdent (Kocarnik et al., 2021). La personnalisation du traitement pourrait fortement diminuer le nombre de décès. La thèse aborde cette thématique en proposant le développement d’organoïdes issus de biopsie de patients sur lesquels le traitement sera optimisé. La bioproduction de cellules encapsulées dans des bio-polymères est un domaine en pleine expansion pour la médecine personnalisée mais aussi pour la recherche et le criblage de médicaments, les thérapies cellulaires et la bio-ingénierie. Cette thèse s’inscrit dans ces domaines d’application à travers l’encapsulation multicouche de cellules dans des biopolymères à large gamme de viscosité.
La couche interne (cœur) offre un environnement optimal à la maturation et survie des cellules ou organoïdes et la couche externe assure une protection (coque) mécanique et une barrière filtrante contre les agents pathogènes.
Cette nouvelle thèse se propose de développer et d’étudier analytiquement et numériquement l’architecture d’une buse d’éjection à double compartiments pour la production haute fréquence de capsules cœur-coque monodisperses. Elle s’inscrit dans la continuité d’une thèse terminée en 2023 qui a permis d’étudier, de caractériser en détails et de développer un modèle prédictif pour la génération de microcapsules monocouches uniquement par force centrifuge.
Les mécanismes de formation et d’éjection des capsules multicouches sont complexes. Ils font intervenir les propriétés rhéologiques du bio-polymère, la force centrifuge, la tension de surface et les interfaces. L’architecture de la buse d’éjection devra prendre en compte ces propriétés. Un premier volet de cette thèse sera de mieux comprendre les mécanismes de formation multicouche et d’éjection des microcapsules en fonction de la géométrie de la buse d’éjection sélectionnée et ainsi pouvoir prédire et contrôler cette formation en fonction des propriétés rhéologiques du/des bio-polymère(s). Un second volet sera le développement d’un système automatisé permettant la production aseptique des capsules. Enfin, une validation biologique permettra de valider la technologie développée. Pour répondre aux objectifs de ce sujet d’étude, le candidat devra dans un premier temps mener une étude analytique et numérique, dessiner les buses d’éjection et s’appuyer sur le savoir-faire du laboratoire pour les fabriquer. Il fera des tests fluidiques sur des maquettes et optimiser le design afin de concevoir et tester un prototype de formation de microcapsules.
Le candidat doit avoir une formation en physique, en ingénierie et en mécanique des fluides avec un talent particulier pour les approches expérimentales. Une première expérience en microfluidique / biologie serait un atout.
Accumulateurs aux lithium tout solide à base d’électrolyte pyrochlore
Face à l'augmentation de la demande énergétique, il est urgent de concevoir des systèmes de stockage plus performants, qu’ils soient stationnaires ou embarqués. Parmi ceux-ci, les batteries lithium-ion se démarquent comme les plus avancées, capables d’être fabriquées à partir d’électrolytes liquides ou solides. Les batteries tout-solide ont un bel avenir devant elles grâce à leurs électrolytes non inflammables et à leur capacité d’utiliser du lithium métallique pour augmenter la densité d’énergie. Bien que la recherche sur ces batteries donne lieu à une forte compétition internationale, leur commercialisation n’est pas encore une réalité. En effet, deux obstacles importants entravent leur développement : la faible conductivité ionique intrinsèque des solides et la difficulté d’obtenir de bonnes interfaces solides/solides au sein des électrodes composites et du système complet.
Cette thèse vise à développer des batteries tout-solide basée sur une nouvelle classe de matériaux superioniques de type pyrochlore oxyfluorure, qui sont stables à l’air et ont une conductivité ionique supérieure à celle de tous les électrolytes solides oxydes existants. Les propriétés électrochimiques des batteries tout solide seront soigneusement examinées en combinant des techniques in situ et operando (DRX, Raman, analyse par faisceau d'ions/synchrotron, RMN du solide, Tomographie à rayons X…).
Mots clés :
Électrolyte solide, Batterie tout solide, Résonance magnétique nucléaire, Électrochimie, pyrochlore Oxyfluorure, in situ/operando, Spectroscopie, Synchrotron
Modélisation simplifiée de la calcination en tube tournant
Dans le cadre du retraitement des combustibles usés de type uranium oxyde, les déchets liquides ultimes de haute activité sont conditionnées dans des verres par un procédé en deux étapes, calcination puis vitrification. La calcination transforme progressivement le déchet liquide en un résidu sec, qui est mélangé à un verre préformé dans un four de fusion. Le calcinateur est constitué d’un tube tournant chauffé par un four à résistances. Les solutions calcinées sont constituées d’acide nitrique et de composés sous leur forme nitrate ou d’insolubles sous forme d’alliages métalliques. Dans l’objectif d’améliorer la maîtrise du pilotage du calcinateur, il est proposé de le modéliser.
La modélisation va consister à créer puis coupler trois modèles :
• Un modèle thermodynamique permettant de représenter les transformations subies par la matière. Cette partie fera très certainement appel à des mesures ATD et ATG, couplées très certainement à une démarche de type plan d’expériences (1ère année).
• Un modèle d’écoulement de la matière. Il existe déjà dans la littérature des principes de représentation très simplifié d’écoulement dans un calcinateur en tube tournant, mais il faudra faire preuve d’innovation notamment en définissant des tests pour caractériser l’écoulement de la matière au cours du processus de calcination (2ème année).
• Un modèle thermique qui prendra en compte les échanges entre le four et le tube du calcinateur mais également les échanges entre la matière et le tube. Des caractérisations de coefficients d’échanges devront être réalisées(1ère année).
Le couplage de ces trois modèles (3ème année) donnera naissance à une première modélisation simplifiée de la calcination. Ce modèle sera utilisé pour aider au pilotage de l’étape de calcination mais également pour former les opérateurs au pilotage de cet appareil.
Vous évoluerez au sein du LDPV, une équipe pluridisciplinaire (procédé, chimie, mécanique des fluides, modélisation, mécanique, induction) composée de 16 ingénieurs et techniciens. Equipe de 30 ans d’expérience en procédé de vitrification reconnue au niveau national et international
Développement d'électrodes négatives en couches minces pour accumulateurs tout-solides "Li-free"
L'objectif de cette thèse est de développer des électrodes négatives dites ‘Li-free’ pour de nouvelles générations de batteries au lithium tout solides à forte densité d’énergie. La fonction de ce type d’électrode est d’apporter un gain significatif en densité d’énergie au niveau de l’accumulateur, de faciliter sa fabrication en s’affranchissant de la manipulation du lithium métal, et avant tout, à permettre la formation d’un film homogène de lithium, exempt de dendrites lors la charge de l’accumulateur.
Ces électrodes seront basées sur la fonctionnalisation d’un collecteur métallique par des matériaux en couches minces, comportant au moins un matériau lithiophile (typiquement un composé alliable avec le lithium) et un conducteur ionique inorganique. La préparation de ces électrodes fera appel à des procédés de dépôt physique sous vide tels que la pulvérisation cathodique ou l’évaporation thermique. Il s’agira donc d’étudier l’influence de la composition et de la structuration de la couche lithiophile sur le mécanisme de nucléation et de croissance du film de lithium, et sur l’évolution de l’électrode au cours des cycles de charge/décharge. Le rôle des interactions chimiques/mécaniques avec la couche conductrice ionique sera également scruté.
Cette thèse qui s’inscrit dans un projet collaboratif national CEA/CNRS s’effectuera sur le site du CEA Tech à Pessac qui dispose d’un parc complet d’équipements de dépôt sous vide et de caractérisation des couches minces, en étroite collaboration avec l’ICMCB de Bordeaux. Elle bénéficiera des nombreux moyens de caractérisation (microscopie optique confocale, MEB/cryo FIB, ToF-SIMS, RMN, µ-DRX, AFM,...) disponibles au sein des différents laboratoires partenaires du projet.
Amélioration des performances des CMOS par l’optimisation conjointe de la lithographie et du design
Lors du développement de nouvelles technologies (ex. FDSOI 10nm), les règles de dessin constituent le « code de la route » du designer (DRM). Elles sont définies afin de prendre en compte les contraintes électriques - physiques des circuits ainsi que celles issues des procédés de patterning et de lithographie en particulier. Le monde des designers et celui des lithographes étant relativement séparé, ces règles de dessin ne sont souvent pas optimales (sous-estimation des capabilités de lithographie, méconnaissance de l’impact des règles sur les performances des CMOS).
L’objectif de cette thèse est de montrer que l’utilisation d’un jumeau numérique de lithographie peut permettre d’améliorer les performances des CMOS par co-optimisation du design et de la lithographie (DTCO).
Sur la base d’un cas pratique des technologies CMOS avancées et à l’aide d’un jumeau numérique de lithographie, il s’agira de
- Développer de nouvelles méthodes de caractérisation du domaine de validité d’un procédé de lithographie (hotspot prédiction)
- Confronter la pertinence des règles de dessin vis-à-vis de ce domaine de validité
- Quantifier l’impact de la lithographie au travers des règles de dessin sur les performances électriques des dispositifs.
- Identifier les limitations process ou design les plus significatives afin de les challenger
La thèse se déroulera au CEA-Leti à Grenoble, acteur reconnu pour l’excellence de ses travaux de recherche dans le domaine de la microélectronique. Plus précisément, l’étudiant(e) sera rattaché(e) au Laboratoire de PAtterning Computationnel (LPAC) qui explore l’amélioration des procédés de lithographie et de gravure en s’appuyant sur des outils numériques les plus avancés. L’étudiant aura accès à ces outils ainsi qu’aux moyens de caractérisation et de fabrication 300mm de la salle blanche du CEA-Leti. L’étudiant(e) sera amené(e) à publier et à partager ses travaux lors de différentes conférences internationales.
Architecture évolutive de clusters programmables basée sur un réseau sur puce (NoC) pour les applications d'IA futures
Contexte technique et scientifique
L'intelligence artificielle (IA) s'impose aujourd'hui comme un domaine majeur, touchant des secteurs variés tels que la santé, l'automobile, la robotique, et bien d'autres encore. Les architectures matérielles doivent désormais faire face à des exigences toujours plus élevées en matière de puissance de calcul, de faible latence et de flexibilité. Le réseau sur puce (NoC, Network-on-Chip) est une technologie clé pour répondre à ces défis, offrant une interconnexion efficace et scalable au sein de systèmes multiprocesseurs. Cependant, malgré ses avantages, la conception de NoC pose des défis importants, notamment en termes d'optimisation de la latence, de la consommation d’énergie et de l’évolutivité.
Les architectures de clusters programmables s'avèrent particulièrement prometteuses pour l'IA, car elles permettent d’adapter les ressources en fonction des besoins spécifiques des algorithmes d'apprentissage profond et d'autres applications d'IA intensives. En combinant la modularité des clusters avec les avantages des NoC, il est possible de concevoir des systèmes capables de traiter des charges de travail d'IA toujours plus importantes, tout en assurant une efficacité énergétique et une flexibilité maximales.
Description du Sujet
Le sujet de thèse propose la conception d'une architecture de cluster programmable, scalable, basée sur un réseau sur puce, dédiée aux futures applications d'IA. L'objectif principal sera de concevoir et d'optimiser une architecture NoC qui permettra de répondre aux besoins des applications d'IA en termes de calcul intensif et de transmission de données efficace entre les clusters de traitement.
Les travaux de recherche se concentreront sur les aspects suivants :
1. Conception de l'architecture NoC : Développer un réseau sur puce évolutif et programmable qui permette de connecter de manière efficace les différents clusters de traitement de l’IA.
2. Optimisation des performances et de l'efficacité énergétique : Définir des mécanismes pour optimiser la latence et la consommation d'énergie du système, en fonction de la nature des charges de travail d'IA.
3. Flexibilité et programmabilité des clusters : Proposer une architecture modulaire et programmable permettant d’allouer les ressources de manière dynamique selon les besoins spécifiques de chaque application d'IA.
4. Évaluation expérimentale : Implémenter et tester des prototypes de l'architecture proposée pour valider ses performances sur des cas d’utilisation concrets, tels que la classification d'images, la détection d'objets ou le traitement de données en temps réel.
Les résultats de cette recherche pourront contribuer à l’élaboration de systèmes embarqués et de solutions d’IA de pointe, optimisés pour les nouvelles générations d'applications et d’algorithmes d'intelligence artificielle.
Les travaux seront valorisés à travers la rédaction de publications scientifiques dans des conférences et des journaux, ainsi que potentiellement des brevets.
Rôle de l'eau à l'interface d'un collage direct hydrophile
L'industrie microélectronique utilise de plus en plus la technologie du collage direct hydrophile pour réaliser des substrats et des composants innovants. Les équipes du CEA LETI sont leaders dans ce domaine depuis plus de 20 ans et proposent des études scientifiques et technologiques sur le sujet.
Le rôle clé de l'eau à l'interface de collage peut être mieux compris grâce à une nouvelle technique de caractérisation développée au CEA LETI. L'objectif de cette thèse est de confirmer ou d'infirmer les mécanismes physico-chimiques en jeu à l'interface de collage, en fonction des préparations de surface et des matériaux en contact.
Une grande partie de ce travail sera réalisée sur nos outils en salle blanche. La caractérisation de l'hydratation des surfaces par cette technique originale sera complétée par des caractérisations classiques telles que les mesures d'énergie d'adhésion et d'adhérence, les analyses FTIR-MIR et SIMS, et la réflectivité des rayons X à l'ESRF.
Développement de sources de photons multiplexées pour les technologies quantiques
Les technologies de l’information quantique offrent de nombreuses promesses notamment dans le domaine du calcul et des communications sécurisées. Parmi la diversité de technologies possibles, les qubits photoniques, du fait de leur excellente robustesse à la décohérence sont particulièrement intéressants pour les communications quantiques, y compris à température ambiante. Ils offrent également une alternative à d’autres technologies de qubits dans le cadre du calcul quantique. Afin de déployer à grande échelle ces applications, il est nécessaire de disposer de dispositifs compacts, bon marché, en grand nombre. La photonique sur silicium est une plate-forme attractive pour parvenir à cet objectif, en implémentant différents composants clé de génération, manipulation et détection de qubits photoniques.
La génération de photons à l’état solide peut se faire par différents processus physiques. Parmi ceux-là, la génération non-linéaire de paires de photons présente différents attraits tels que le fonctionnement à température ambiante, la possibilité d’utiliser la paire de photons comme source de photons uniques annoncés, sources de paires de photons intriqués…
Votre rôle consistera à travailler au développement, au suivi de fabrication et à la caractérisation en laboratoire de sources de photons paramétriques multiplexée dans des matériaux à base de silicium afin de surpasser les limites inhérentes au processus physique de génération de paires de photons. Dans l’objectif d’une intégration complète sur une unique puce, il est notamment essentiel de pouvoir filtrer efficacement la lumière indésirable, afin de ne garder que les photons d’intérêt. C’est pourquoi un accent particulier sera également mis sur ces filtres.
Croissance MOCVD de films 2D ferroélectriques In2Se3 pour mémoires non-volatiles haute densité et basse consommation
Les matériaux ferroélectriques à température ambiante sont l’élément clé des mémoires non-volatiles haute densité et basse consommation. Cependant, avec la miniaturisation accrue des dispositifs électroniques, les ferroélectriques conventionnels sont limités à une épaisseur critique en dessous de laquelle la ferroélectricité est instable. Les matériaux bidimensionnels (2D) grâce à leur chimie de surface saturée et leurs faibles interactions inter-couches présentent l’avantage d’être stables à la limite de la monocouche atomique et sont donc prometteurs pour explorer la ferroélectricité dans des épaisseurs nanométriques et sub-nanométriques. Jusqu’à présent, les preuves de concept démontrant la ferroélectricité 2D ont principalement utilisé des cristaux de quelques µm2 exfoliés mécaniquement à partir d’un cristal massif. En particulier, les phases ? et ? du semiconducteur lamellaire In2Se3 préservent un caractère ferroélectrique à la limite de la monocouche atomique.
Compte tenu de l’impératif des applications « wafer-scale » de la microélectronique, il y a aujourd’hui un besoin urgent de croissance de matériaux 2D de haute qualité cristalline sur des substrats de grande dimension. L’objectif de la thèse est de développer la croissance du matériau lamellaire In2Se3 dans ses phases non centro-symmétriques ? ou ? par épitaxie en phase vapeur par procédé chimique (MOCVD) sur des substrats de silicium de grande dimension (200 mm). A notre connaissance, seulement trois articles de la littérature démontrent la croissance MOCVD du composé In2Se3. Un seul met en évidence l’obtention de la phase ? (article de 2024). Le défi est donc difficile mais possible. La preuve de concept d’une cellule mémoire ferroélectrique sera réalisée si possible in fine en déposant directement une électrode métallique en surface du matériau ferroélectrique 2D sans endommager ce-dernier
Caractérisation chimique 3D de dispositifs ePCM par tomographie STEM-EDX et intelligence artificielle
Cette thèse s'inscrit dans le contexte du progrès récent de la technologie des mémoires à changement de phase dans les applications embarquées (ePCM). La miniaturisation des ePCM pour des nœuds inférieurs à 18nm pose de nombreux défis non seulement dans la fabrication, mais aussi dans la caractérisation physico-chimique de ces dispositifs. L'objectif du projet est d'étudier les phénomènes de ségrégation chimique et de cristallisation en 3D dans les nouveaux alliages PCM intégrés dans des dispositifs ePCM planaires et verticaux, en utilisant la tomographie électronique en mode STEM-EDX (et 4D-STEM). Compte tenu de l'extrême miniaturisation et de la géométrie complexe des dispositifs, l'accent sera mis sur l'optimisation des conditions expérimentales et sur l'application de techniques de machine learning et d'apprentissage profond pour améliorer la qualité et la fiabilité des résultats 3D obtenus. Une corrélation avec le comportement électrique du dispositif sera effectuée pour mieux comprendre les phénomènes à l'origine des défaillances après endurance et après perte de données à haute température.
Un TEM NeoARM Cold-FEG corrigé par sonde (60kV-200kV) sera utilisé pour l'acquisition des données tomographiques. Il est équipé de deux détecteurs SSD à grand angle solide (JEOL Centurio), d'un filtre en énergie CEOS (CEFID) et d'une caméra à détection directe (Timepix3). Le candidat aura également accès aux codes Python développés en interne ainsi qu'aux ressources informatiques nécessaires pour effectuer l'analyse des données spectrales et tomographiques.