Radiothérapie avec électrons à très haute énergie issus d'un accélérateur de champ de sillage laser
Objectifs de la recherche :
Utiliser la modélisation numérique pour optimiser les propriétés des accélérateurs laser-plasma dans la gamme 50 MeV-200 MeV pour la radiothérapie VHEE :
(i) optimiser les propriétés d'un accélérateur laser-plasma (étalement de l'énergie, divergence) avec des faisceaux d'électrons injectés à partir d'un injecteur à miroir plasma en utilisant les codes WarpX et HiPACE++.
(ii) Étudier l'impact de ces faisceaux d'électrons sur l'ADN à l'aide de Geant4DNA.
Cette modélisation numérique sera ensuite utilisée pour guider/concevoir/interpréter des expériences de radiobiologie sur des échantillons biologiques in-vitro qui sont prévues dans notre installation laser interne de 100 TW au CEA pendant le projet. Ces expériences seront réalisées dans le cadre du projet de recherche FemtoDose financé par l'Agence Nationale de la Recherche.
Le chercheur bénéficiera d'une grande variété de formations disponibles au CEA sur le HPC et la programmation informatique, ainsi que de formations chez nos partenaires industriels (ARM, Eviden) et à l'Université Paris Saclay, qui propose des cours de maîtrise en radiobiologie et héberge également un centre de recherche (INanoTherad) dédié aux nouveaux traitements de radiothérapie, réunissant des physiciens, des radiobiologistes et des médecins. Les activités seront menées dans le cadre du réseau doctoral d'action Marie Sklodowska Curie EPACE (European compact accelerators, their applications, and entrepreneurship).
Capteur quantique-radiofréquence hybridé
A travers l’action exploratoire Carnot SpectroRF, le CEA Leti s’implique dans les systèmes de capteurs radiofréquences à base de spectroscopie optique atomique. L’idée sous-jacente de ce développement repose sur le fait que ces systèmes offrent des performances de détection exceptionnelles. Avec notamment, une sensibilité´ élevée (~nV.cm-1.Hz-0.5), des bandes passantes très larges (MHz- THz), une taille indépendante de la longueur d'onde (~cm) et une absence de couplage avec l'environnement. Ces avantages surpassent les capacités des récepteurs conventionnels a` base d'antennes pour la détection des signaux RF.
L'objectif de cette thèse est d'investiguer une approche hybride pour la réception de signaux radiofréquences, en combinant une mesure de spectroscopie atomique basée sur des atomes de Rydberg avec la conception d'un environnement proche à base de métal et/ou de matériau chargé pour la mise en forme et l'amplification locale du champ, que ce soit par l'utilisation de structures résonantes ou non, ou de structures focalisantes.
Dans le cadre de ces travaux, la question scientifique principale consiste à déterminer les opportunités et limites de ce type d’approche en formulant analytiquement les limites de champs imposables aux atomes de Rydberg, que ce soit en valeur absolue, en fréquence ou dans l’espace, et cela pour une structure donnée. L’approche analytique sera agrémentée de simulations EM pour la conception et la modélisation de la structure associée au banc de spectroscopie optique atomique. La caractérisation finale se fera par mesure dans un environnement électromagnétique contrôlé (chambre anéchoïque).
Les résultats obtenus permettront d'effectuer une comparaison modèle-mesures. Les modélisations analytiques ainsi que les limites théoriques qui en découlent donneront lieu à des publications sur des sujets qui n’ont pas encore fait l'objet d'investigations dans l’état de l’art. Les structures développées dans le cadre de ces travaux de thèse pourront faire l'objet de brevets directement valorisables par le CEA.
Imagerie ultrasonore 3D par adressage orthogonal du réseau de sonde matricielle pour le CND par ultrasons
Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre des activités du Département Instrumentation Numérique (DIN) dans le domaine du Contrôle Non-Destructif (CND), et vise à concevoir une nouvelle méthode d’imagerie ultrasonore 3D rapide à l’aide de sondes multi-éléments matricielles. L’ambition sera de produire des images échographiques en trois dimensions du volume interne d’une structure pouvant contenir des défauts (ex. : fissures), de la manière la plus réaliste possible et avec des performances accrues en terme de rapidité de l’acquisition et de formation de l’image. La méthode proposée s’appuiera sur une approche développée en imagerie médicale basée sur l’adressage du réseau de sonde matricielle par lignes et colonnes, ou Row and Column Addressing (RCA). Un premier volet de la thèse consistera à développer de nouvelles stratégies d’acquisition des données pour des sondes matricielles et d’algorithmes de formation de l’image associés afin de traiter des configurations d’inspection usuelles en CND. Dans un deuxième volet, les méthodes développées seront validées sur les données simulées et évaluées sur des données expérimentales acquises avec une sonde matricielle conventionnelle de 16x16 éléments fonctionnant en mode RCA. Enfin, à l’issue de thèse, une preuve de concept temps-réel sera démontrée en implémentant les nouvelles méthodes d’imagerie 3D dans un système d’acquisition de laboratoire.
Pronostic de salissures des modules PV via la modélisation de l'environnement réel et la fusion de données
Les centrales photovoltaïques (PV) notamment celles installées dans des zones sujettes aux salissures, telles que les régions sèches, ainsi que les sites marins et agricoles, peuvent subir des pertes énergétiques allant jusqu'à 20 à 30 % par an. Cela représente des pertes financières dépassant 10 milliards d'euros en 2023.
Cette Thèse vise à développer une méthode robuste et complète pour prédire l’accumulation de salissures des modules/systèmes PV, en combinant la modélisation de l’environnement réel et les données opérationnelles PV (électriques, thermiques, optiques). La Thèse sera réalisée dans une approche ascendante en trois étapes :
1. Niveau composant/module PV : Reproduction et modélisation de l’accumulation de salissures en laboratoire, suivies d’une validation expérimentale. Ce travail s’appuiera sur les compétences du CEA en modélisation des mécanismes de dégradation, y compris les tests accélérés.
2. Niveau module/système PV : Mise en place de campagnes de monitoring pour collecter des données (météorologiques, opérationnelles, imagerie) et essais sur un site pilote. Les données serviront à valider et améliorer les outils de diagnostic du CEA, en ajoutant des fonctions innovantes comme la prédiction de la propagation des salissures grâce à l’IA.
3. Niveau système/exploitation PV : Validation de la méthode sur des modules PV commerciaux dans des centrales PV, avec pour objectif de démontrer son applicabilité à grande échelle.
Les résultats de la Thèse contribueront au développement d'un outil/méthode innovant pour le diagnostic/pronostic complet des salissures dans les installations PV, permettant à la fois de minimiser les pertes d'énergie et d'anticiper/optimiser les stratégies de nettoyage d'une centrale PV.
Dispositifs supraconducteurs en Silicium
The project focuses on the study of superconducting devices with silicon as a semiconductor. Those include standard silicon transistors with superconducting source and drain contacts and superconducting resonators. The common properties is the superconducting material which is elaborated with the constrain of being compatible with the silicon CMOS technology.
In the actual situation of the project, devices with CoSi2, PtSi and Si:B superconducting contacts have been fabricated using the 300 mm clean room facility at the LETI and in collaboration with our partners at Uppsala university and C2N Paris Saclay. The main issue is now to characterize the electronic transport properties at very low temperature.
Caractérisation multi-physique pour l’amélioration des performances des supercondensateurs hybrides au potassium
Le sujet de thèse porte sur l'optimisation des supercondensateurs hybrides au potassium (KIC), qui combinent les propriétés des supercondensateurs (puissance, cyclabilité) et des batteries (énergie). Ce système, développé au CEA, représente une technologie prometteuse, bas coûts et sans matériaux critiques/stratégiques. Cependant, l’optimisation des performances nécessite encore de lever différents verrous observés lors de travaux précédents, notamment sur l’intercalation du potassium dans le graphite et les phénomènes d’échauffement de cellules en fonctionnement. Afin d'explorer en profondeur les mécanismes de fonctionnement du système KIC, une partie essentielle du projet de thèse comprendra des expériences menées à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), où des techniques de diffraction et d'imagerie avancées seront utilisées pour analyser la structure des matériaux et leur comportement en conditions réelles de fonctionnement. Le traitement des données recueillies sera également crucial afin d'établir des corrélations entres les propriétés physico-chimiques des matériaux et les performances globales du système. Cette thèse contribuera à la compréhension fondamentale des mécanismes multi-physiques en jeu dans les KIC pour développer des stratégies de conception innovantes et ainsi améliorer leur capacité, leur efficacité énergétique et leur durée de vie.
Apprentissage de Modèles Interprétables pour la Corrosion sous Contrainte des aciers inoxydables exposés en milieu primaire des REP
La corrosion sous contrainte (CSC) des aciers inoxydables est l'un des principaux phénomènes de dégradation des composants du circuit primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée(REP). La compréhension de ce mécanisme de fissuration est d’une nécessité absolue pour la prolongation de la durée d’exploitation des réacteurs. Avec un nombre important de paramètres critiques qui influent sur la sensibilité du matériau à la CSC et la présence de forts effets de couplage, une grille d’essais expérimentaux assez conséquente est souvent envisagée pour aider à la compréhension du mécanisme. Il est proposé dans ce projet d’adopter une approche nouvelle basée sur l’utilisation de modèles interprétables, avec pour but d’éviter les longues et couteuses étapes de recherches en ciblant des essais pertinents et des paramètres matériaux pouvant améliorer les performances en environnement. L’enjeu ici sera d’ajouter à l’approche expérimentale les performances d’un outil d’intelligence artificielle avec pour objectifs de définir des domaines de sensibilité à l’amorçage de CSC en fonction des paramètres critiques identifiés dans le modèle, et de fournir des données relatives à l’élaboration de nouveaux matériaux par fabrication additive.
La thèse sera consacrée au développement d’un outil numérique adapté à ce nouveau cas d’usage et à la poursuite des activités expérimentales nécessaires à la validation de cette nouvelle approche. Il s’agira d’explorer les contributions de l’intelligence artificielle dans le domaine de la corrosion sous contrainte sur plusieurs volets : l'identification des paramètres au premier ordre sur la sensibilité du matériau, l'évaluation des domaines de criticité à la CSC et l'aide à la compréhension des mécanismes physiques à l’origine de la fissuration.
Matériaux SCO&FE par ALD pour les transistors FeFET
Le Transistor à effet de champ ferroélectriques FeFET est un composant mémoire haute densité adapté aux configurations 3D-DRAM. Le concept FeFET combine l’utilisation des oxydes semi-conducteurs comme matériau de canal et des oxydes métalliques ferroélectriques FE comme grille de transistor [1, 2, 3]. Le dépôt de couches atomiques ALD de matériaux SCO et FE à très faible épaisseur (<10 nm) et à basse température (10 cm2.Vs) ; ultra-minces (<5 nm) et ultra-conformes (rapport d'aspect 1:10). Le doctorant bénéficiera du riche environnement technique de la salle blanche 300/200 mm du CEA-LETI et de la plateforme de nano-caractérisation (analyses physico-chimiques, structurales et microscopiques, mesures électriques).
Les développements porteront sur les points suivants :
1-Comparaison de couches SCO (IGZO Indium Gallium Zinc Oxide) fabriquées par techniques ALD et PVD : mise en œuvre de techniques de mesures et de véhicules de test adaptés
2-Caractérisation intrinsèque et électrique des couches ALD-SCO (IWO, IGZO, InO) et ALD-EF (HZO) : stœchiométrie, structure, résistivité, mobilité….
3-Co-intégration de couches ALD-SCO et ALD-FE pour structures FeFET 3D verticales et horizontales
[1]10.35848/1347-4065/ac3d0e
[2]https://doi.org/10.1109/TED.2023.3242633
[3]https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c02223
Etude des mécanismes de gravure directe du métal pour le BEOL des nœuds ultimes sur SOI
Le sujet s’inscrit dans le déploiement des technologies silicium au niveau européen (European Chips Act) porté par le CEA-Leti. Le sujet se focalisera notamment sur la mise à disposition de briques technologiques avancées pour le routage électrique (Back End of Line) des dispositifs logiques et analogiques.
La mise au point de circuits toujours plus performants requiert des interconnexions aux dimensionnels de plus en plus agressifs. L’utilisation de matériaux traditionnels de routage comme le cuivre est alors remise en question, de même que l’architecture des briques de back-end of line (BEOL). Ce sujet de thèse apporte une approche en rupture, nécessaire afin d’adresser ces dimensionnels ultimes.
L’objectif de cette thèse est donc de développer une brique technologique BEOL pour les nœuds avancés par gravure directe du métal. Après une simulation préalable des propriétés électriques des interconnexions réalisées avec différents métaux, le travail consistera à proposer et réaliser une intégration innovante. Il s’agira dans une première phase de définir le design des structure de test électrique et d’établir un schéma d’intégration. Ensuite, le travail se concentrera sur l’étude de la gravure directe du métal sélectionné en utilisant des procédés écoresponsables, tout en préservant les performances des procédés et du dispositif final. Le.la candidat.e pourra s’appuyer sur la cellule Eco-innovation pour réaliser une analyse du cycle de vie (ACV) comparative de cette brique.
Le contrat de thèse est d’une durée de 3 ans et se déroulera dans les salle-blanche du CEA-Leti. Pour mener à bien cette étude, le.la candidat.e aura à sa disposition des équipements de derrière génération et un environnement de travail de pointe.
Modélisation physique d’une attaque laser sur FD-SOI en vue de la sécurisation des cellules standard du nœud FD-SOI 10 nm
La cybersécurité de nos infrastructures est un maillon essentiel à la transition numérique qui s’opère et la sécurité doit être assurée sur l’ensemble de la chaîne. Les couches basses, matérielles, s’appuient sur du composants microélectroniques assurant les fonctions essentielles pour l’intégrité, la confidentialité et la disponibilité des informations traitées.
Le matériel assurant des fonctions de sécurité peut être soumis à des attaques physiques, utilisant les propriétés du matériel. Certaines de ces attaques sont plus directement liées que d’autres aux caractéristiques physiques des technologies silicium utilisées pour la fabrication des composants. Parmi celles-ci, les attaques utilisant un laser impulsionnel dans l’infra rouge proche est la plus puissante par sa précision et sa répétabilité. Il convient donc de protéger les composants vis-à-vis de cette menace. En sécurité, le développement des protections (on parle aussi de contremesures) est possible quand la menace est modélisée. Si l’effet d’un tir laser dans les technologies bulk traditionnelles est bien modélisé, il ne l’est pas encore suffisamment dans les technologies FD-SOI (une seule publication). Nous savons aujourd’hui que le FD-SOI a une sensibilité moindre à un tir laser, et cela doit s’expliquer par un modèle physique sensiblement différent de celui effectif sur bulk. Or les systèmes embarqués susceptibles d’être visés par des attaques malveillantes (contexte IoT, Bancaire, Idendité etc…) sont aujourd’hui portés sur les technologies FD-SOI. Il devient donc essentiel de consolider la modélisation physique de l’effet d’un tir laser sur un transistor et sur des cellules standard (standard cells : inverseur, NAND, NOR, Flip-Flop, SRAM…). Nous proposons d’allier l’expérimental à une approche TCAD permettant une compréhension fine des effets mis en jeu lors d’un tir laser impulsionnel dans le FD-SOI. Un modèle compact d’un transistor FD-SOI sous impulsion laser sera déduit de cette phase de modélisation physique.
Ce modèle compact sera ensuite injecté dans un design de cellules standards. Cette approche a deux objectifs : porter la modélisation de l’effet d’un tir laser au niveau de design de cellules standards (absolument centrales dans les circuits numériques pour la sécurité). Des données expérimentales (existantes et générées par le doctorant) permettront de valider le modèle à ce niveau d’abstraction. Enfin, et surtout, cette modélisation fine permettra de proposer des designs de cellules standards en technologie FD-SOI 10nm, intrinsèquement sécurisées vis-à-vis d’un tir laser impulsionnel. Cela sera rendu possible par l’exploitation des propriétés de sécurité des technologies FD-SOI.
Contacts: romain.wacquez@cea.fr, jean-frederic.christmann@cea.fr, sebastien.martinie@cea.fr,