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 de µLED rouges et RGB pour les microécans et la communication rapide
Contexte : Les microLED (µLED) constituent une technologie prometteuse pour la réalisation de mini-écrans à forte brillance (lunettes de réalité augmentée ou les montres connectées). D’une taille inférieure à 20 µm, ces µLED sont obtenues par gravure d’une structure planaire sur saphir intégrant des puits quantiques InxGa1-xN. La longueur d’onde émise est directement pilotée par la teneur x en indium des puits quantiques (x˜15 % pour le bleu, 25 % pour le vert, 35–40 % pour le rouge). Si les nitrures offrent d’excellentes performances dans le bleu, l’efficacité chute fortement lorsque la taille des µLED diminue. Pour lever ce verrou, une approche innovante repose sur la réalisation de microfils en géométrie cœur/coquille. Cette architecture permet de préserver l’efficacité d’émission quelle que soit la taille et de pouvoir communiquer des données au GHz (technologie développée au sein de la start-up grenobloise Aledia). Malgré leur fort potentiel, les LED à microfils cœur/coquille se heurtent encore à un enjeu scientifique majeur: l’obtention d’émission rouge. L’incorporation d’indium reste limitée à 25 %, seuil insuffisant pour atteindre le rouge. Ce verrou technologique freine aujourd’hui l’émergence de µLED trichromatiques RGB. Notre équipe a démontré des résultats pionniers dans de domaine, où nous avons réalisé les 1er puits quantiques InGaN cœur/coquille à 15 % pour une émission bleue et à 25% pour une émission verte. Malgré ces avancées, le défi reste entier pour réaliser une émission rouge.
Objectifs : Une nouvelle idée a émergé pour aller au-delà des 25% pour la technologie microfil cœur-coquille et ainsi viser l’émission rouge, ce qui a donné lieu à un dépôt d’un brevet en 2025. Des résultats préliminaires se sont révélés très prometteurs et nous souhaitons poursuivre ce travail à travers une thèse avec un trible objectif :
- Démontrer l’émission rouge en variant les paramètres géométriques des microfils (diamètre…)
- Réaliser des µLED le rouge
- Réaliser des µLED trichromique RGB en un seul run de croissance
Collaborations: Ce projet s’appuie sur une étroite collaboration avec le LTM (Laboratoire de la Technologie de la Microélectronique) pour la réalisation de réseaux de microfils GaN par garvure. Les études d’épitaxie de LED cœur/coquille seront menées au CEA à PHELIQS grâce au bâti d’épitaxie MOCVD en intégrant des analyses structurales/optiques. La dernière étape vise à réaliser les dispositifs LED à microfils grâce au savoir-faire développé à l’Institut Néel via la salle blanche NanoFab.
Pourquoi rejoindre ce projet ? Acquérir une expertise en épitaxie, en physique des semiconducteurs et en optoélectronique. Travailler dans un environnement dynamique et collaboratif, étroitement lié au monde de l'industrie. Contribuer au développement des prochaines générations de µLED destinées aux micro-écrans et aux communications GHz.
Financement : Sujet de thèse financée par le Labex « µelectronics » de l’UGA.
Une meilleure compréhension structurale en nanoélectronique grâce à la microscopie à rayons X en champ sombre
La microscopie à rayons X en champ sombre (DFXM) est une technique synchrotron émergente et non destructive, capable d’imager les contraintes et les défauts cristallins avec une résolution de 30 à 100 nm sur de larges champs de vue. Les améliorations récentes à l’ESRF et sur la ligne de lumière ID03 ont augmenté l’intensité des rayons X de deux ordres de grandeur, permettant l’étude des structures nanométriques les plus complexes fabriquées en salle blanche. Cette thèse a pour objectif d’exploiter la DFXM pour l’analyse d’architectures microélectroniques avancées soumises à des contraintes thermo-mécaniques critiques. La DFXM fournira une cartographie 3D des contraintes, de l’orientation et des défauts enfouis dans des dispositifs complexes sans destruction de l’échantillon. Une étude comparative sera menée avec des techniques locales de rayons X complémentaires disponibles sur synchrotron telles que la microdiffraction Laue et la microscopie de diffraction des rayons X en balayage (SXDM). Des corrélations multi-échelles seront établies avec la MET et la spectroscopie Raman. Des simulations par éléments finis appuieront l’interprétation en modélisant le comportement mécanique sous charge thermique ou en conditions opérationnelles. L’objectif est de définir une méthodologie robuste pour l’analyse multi-échelle des contraintes dans les composants de la microélectronique.
Cette thèse se déroulera au CEA–Leti sur la plateforme de Nano-caractérisation, et s’inscrit dans une collaboration étroite avec la ligne ID03 de l'ESRF et soutient les avancées dans les technologies quantiques, la photonique et les technologies microélectroniques à haute efficacité énergétique. Ce travail contribuera à améliorer la fiabilité et l’optimisation de la conception des dispositifs de prochaine génération.
Propriétés thermodynamiques et de transport d’alliages Fe- Ni dans le régime Warm Dense Matter
La Warm Dense Matter (WDM) se retrouve à la frontière de la physique de la matière condensée et de la
physique des plasmas. En particulier, elle se caractérise par des températures comparables à celles du
niveau de Fermi (1000 à 10 000 K) et pour des masses volumiques relevant de celles du solide. Dans ce
régime de la matière, la bonne connaissance du diagramme de phase et des propriétés de transport, telle
la conductivité électrique, est cruciale afin de pouvoir aussi bien modéliser les magnétosphères de planètes
rocheuses, les instabilités hydrodynamiques rencontrées lors des expériences de fusion par confinement
inertiel ou encore lors des impacts géants, tels que celui qui aurait formé la Lune à partir de la collision entre
la Terre et Théia.
Le Laboratoire Matière en Conditions Extrêmes du CEA DAM Île-de-France dispose depuis plusieurs années
d’une installation expérimentale (Enceinte à Plasma Pulsé - EPP), dédiée à l’étude de la WDM. À partir de
décharges pulsées de très forts courants (20-500 kA), cette installation expérimentale permet de sonder les
changements de propriétés thermodynamiques et de transport de la matière depuis l’état solide jusqu’à
l’état plasma sur des durées de l’ordre de la centaine de nanosecondes. Très récemment, ces expériences
ont pu être réalisées sur une source synchrotron X afin de pouvoir évaluer la densité d’états électroniques
des plasmas rencontrés dans les expériences EPP.
L’objectif de cette thèse consistera à étudier les propriétés thermodynamiques et de transport d’un alliage
binaire fer-nickel dans un domaine pression-température associé aux impacts géants. Pour ce faire, des
expériences seront réalisées à la fois sur le site du CEA DAM Île-de-France et sur synchrotron afin de pouvoir
sonder les propriétés thermodynamiques, optiques et de transport et du Fe-Ni. Les données expérimentales
recueillies seront ensuite comparées à des simulations de dynamique moléculaire quantique qui
renseignent notamment sur l’état électronique des états rencontrés lors des expériences. Enfin, de nouvelles
approches théoriques, basées sur les résultats expérimentaux et numériques, devront être proposées afin
d’améliorer la modélisation de ce type d’alliage dans le régime WDM.
Comment la nucléation des défauts impact la fracture dans le transfert de couches par SmartCut
Le procédé SmartCutTM est largement utilisé dans la fabrication de substrats innovants pour la microélectronique, comme par exemple le SOI (Silicon-on-Insulator).
Les phénomènes physiques à la base de ce procédé, sont encore au cœur de nos recherches. L’optimisation de l’étape de fracture est un sujet majeur dans notre laboratoire et dans notre collaboration avec Soitec. Dans la thèse de G. Salomon (fin prévue en décembre 2026), le développement de protocoles d’analyses de la surface post fracture, ont mis en évidence le lien entre l’évolution de défauts lacunaires à l’origine de la fracture (platelets) et la rugosité post fracture. Nous avons ainsi pu caractériser les premiers stades de la croissance des platelets et ainsi déterminer leurs caractéristiques principales (taille et densité). Ce qui n’avait été réalisé jusque là qu’à travers des caractérisations complexes basées sur des observations TEM.
Maintenant que nous avons mis en évidence l’impact des platelets sur la rugosité post-fracture et que les moyens pour quantifier ces interactions ont été développés, l’étape suivante est d’étudier d’identifier des moyens de contrôler leur nucléation par des nouveaux procédés. Il s’agira aussi d’optimiser l’état post fracture des substrats SOI.
Modelisation de la croissance de CsPbBr3 par CSS
Les pérovskites halogénées au plomb, notamment le CsPbBr3, émergent comme matériaux prometteurs pour la détection X pour les applications médicales. Cette technologie nécessite leur dépôt en couches épaisses (>100 µm) et la sublimation en espace proche (CSS), initialement développée par le CEA-Liten, a montré des résultats très intéressant. Néanmoins, ce procédé reste mal maitrisé à l’échelle microscopique et les liens entre microstructure et performances reste un verrou scientifique et industriel majeur.
Cette thèse, en partenariat avec le laboratoire SIMAP, vise à développer un modèle thermodynamique complet du procédé CSS. Le candidat devra (i) générer expérimentalement les données thermodynamiques indispensables aux modèles, (ii) modéliser les mécanismes de croissance ainsi que (iii) les valider expérimentalement, en s’appuyant sur des fours de croissance instrumentés dédiés et des caractérisations avancées. Des outils de Machine learning seront mis en place pour établir des corrélations prédictives entre paramètres de dépôt et propriétés des couches.
Les résultats permettront d’optimiser la croissance du CsPbBr3 pour des détecteurs X plus sensibles et stables, avec un fort impact en imagerie médicale et offrira des perspectives de publications et brevets dans un domaine très compétitif.
Impact des ultrasons de puissance sur les propriétés d’écoulement de suspensions complexes
L’industrie nucléaire produit des déchets de diverses natures telles que des solides, des liquides mais aussi des « boues » qui sont issues des procédés de traitement des effluents ou aux résidus de fond de cuve ou de fond de piscine d’entreposage. La nature physico-chimique et l’historique de ces boues font qu’elles présentent un comportement à l’écoulement particulier les rendant parfois difficilement manipulables en amont de leur immobilisation en matrice de conditionnement. Afin de fluidifier ces suspensions de compositions variées l’action mécanique des ultrasons de puissance est envisagée. Il a récemment été montré, grâce à un montage couplant les ultrasons de puissance et la rhéologie, qu’il était possible de fortement diminuer le seuil d’écoulement et la viscosité de la boue en appliquant des ultrasons. Il s’agira dans ce travail de thèse de poursuivre les études engagées (Physico-chimie, microstructure, ultrason et rhéologie) sur des boues reconstituées ou sur des suspensions modèles simplifiées en se focalisant plus spécifiquement sur deux aspects. Le premier, plus fondamental, visera une meilleure compréhension de l’interaction entre les ultrasons de puissance et la matière avec une attention particulière portée sur l’origine des effets observés (interfaces vs volume). Le second volet sera plus appliqué avec le développement de dispositifs expérimentaux originaux à plus grande échelle pouvant générer des écoulements plus proches de situations industrielles.Nous recherchons pour ce travail une personne motivée, sérieuse et curieuse. De part le caractère pluridisciplinaire de ce sujet alliant la physique, la physico-chimie et le développement expérimentale, le candidat pourra valoriser ses compétences dans divers secteurs industriels tels que le nucléaire, le génie civil ou encore le domaine de la dépollution.
La thèse se déroulera dans un laboratoire du CEA Marcoule doté d'un environnement scientifique, technique et humain permettant la réalisation des travaux. Des séjours de courte durée sont à prévoir au laboratoire de physique de l’ENS de Lyon. Ce sujet de thèse, alliant une partie de compréhension fondamentale et une partie appliquée, offre des perspectives de carrière variées : soit une poursuite en post-doctorat, soit une carrière dans l’industrie.
Mesure et modélisation de l'activité chimique des composant de milieux complexes en hydrométallurgie
Les procédés d’extraction modernes reposent sur l’utilisation optimale de fluides complexes dont la compréhension détaillée reste trop empirique. Pour y palier, de nouveaux progiciels de simulation multi-échelle sont développés, avec un des inconnues à l’échelle mésoscopique, où l'agrégation des molécules, les structures d'interfaces (etc.) n’y sont pas bien compris. L’activité chimique est ici clé, puisqu’elle contrôle les processus d’échange et de transfert. La connaitre permet de valider ces progiciels. Il faut donc pouvoir la mesurer et analyser de manière fiable pour chaque composant, notamment ceux volatils. Nous avons proposé de le faire par mesure de leurs pressions partielles. Une première version d’un appareil microfluidique a ainsi été développée et brevetée qui permet de mesurer simultanément par spectroscopie infrarouge dans un guide d’onde creux, les pressions partielles des composants volatils. Ce dispositif expérimental prototype a été validé sur des systèmes simples. L’objectif de cette thèse est de démontrer le potentiel applicatif de cet outil unique pour la simulation et le développement rapide de procédés, en s’intéressant à des cas concrets importants, à la fois du point de vue expérimental que de celui de la modélisation. Ce type d’études serait totalement inédit et permettrait de vérifier expérimentalement pour la première fois les prédictions de stabilité de fluides complexes.
L’étudiant(e) en thèse devra dans un premier temps faire une mise à jours de la brique microfluidique. Il/elle l’utilisera ensuite pour mesurer les activités chimiques des fluides complexes précités et travaillera à l’interface avec Jean-François Dufrèche pour tester / valider / développer plus avant les progiciels. Dans un deuxième temps, à la NTU de Singapour et sous la co-direction du professor Alex Yan Qingyu (https://personal.ntu.edu.sg/alexyan/ ), il/elle utilisera la plateforme microfluidique dupliquée qui est actuellement assemblée, pour appliquer ces résultats au développement rapide d’un procédé d’extraction d’un métal critique issu du recyclage des composants électroniques des circuits imprimés (laboratoire commun SCARCE).
Résultats attendus : publications, progiciel propriétaire et brevets éventuels sur les nouveaux procédés développés.
Micro-électrolyse en continu pour une synthèse plus vertueuse de nanoparticules d'or
Les nanoparticules (NPs) d'or possèdent des propriétés électroniques, photoniques et chimiques uniques, qui les rendent incontournables pour un grand nombre d'applications technologiques ou médicales. Elles sont typiquement produites par précipitation contrôlée du métal à partir d'une solution aqueuse d'un sel d'or. Cela permet de régler précisément leur taille, et donc leurs propriétés, ce qui est crucial pour la plupart des applications. Les microréacteurs en continu, dans lesquels le mélange de la solution de sel avec celle contenant l'agent réducteur est optimal, permettent un contrôle accru de la réaction, et donc de la taille des NPs. Malgré tout, même dans cas, la synthèse de NPs de très petite taille nécessite d'utiliser des agents réducteurs très puissants qui sont souvent nocifs pour l'Homme et pour l'Environnement. Nous proposons de limiter leur impact et de développer un procédé de fabrication plus parcimonieux en insérant dans le micro-réacteur une cellule d'électrolyse afin de synthétiser in-situ la juste quantité d'agent réducteur nécessaire à la réaction.
Votre mission consistera à tester et adapter une (ou des) cellule(s) d'électrolyse en continu pour la synthèse de NPs d'or. Pour cela, vous devrez identifier différents systèmes réactionnels et types de cellules adaptés. Vous pourrez également tester différents agents de surface qui permettent de stabiliser ces NPs tout en leur conférant des propriétés chimiques intéressantes sur le plan biologique. Tout au long de ce travail, vous veillerez à maintenir les bonnes caractéristiques des NPs (taille, propriétés chimiques de surface, propriétés optiques, etc.) en fonction de l'application visée.