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.
Étude et optimisation d’accumulateurs lithium-soufre basées sur un mécanisme de conversion quasi-solide du soufre
Les batteries lithium-soufre sont considérées comme l’une des solutions les plus prometteuses pour la prochaine génération de stockage d’énergie. Elles offrent une densité énergétique supérieure à celle des batteries actuelles, tout en utilisant du soufre, un matériau abondant et peu coûteux. Cependant, plusieurs verrous scientifiques et technologiques freinent encore leur déploiement à grande échelle.
Un problème majeur réside dans la formation de polysulfures de lithium solubles lors du fonctionnement de l’accumulateur. Ceux-ci peuvent migrer à l’intérieur de la cellule et entraîner une perte rapide de capacité. Des recherches récentes suggèrent qu’un autre chemin réactionnel, appelé « mécanisme quasi-solide », pourrait limiter cette dissolution et améliorer significativement la stabilité des batteries.
Cette thèse de doctorat vise à concevoir et étudier des cellules lithium-soufre de type « pouch » fonctionnant selon ce mécanisme quasi-solide. Le travail combinera le développement d’électrodes de soufre, des tests électrochimiques et des techniques avancées de caractérisation afin de mieux comprendre les processus gouvernant les performances et la durabilité des batteries.
Le projet s’articulera autour de deux axes de recherche complémentaires :
1. Travail d’optimisation d’électrodes positives
La première partie du travail consistera à développer des cathodes à base de soufre optimisées. Cela inclut l’exploration de différents matériaux hôtes conducteurs et l’ajustement de leur structure ainsi que de leurs propriétés de surface afin de mieux confiner le soufre et de limiter les réactions indésirables.
2. Développement d’électrolytes adaptés
La seconde partie du projet portera sur la formulation d’électrolytes capables de réduire la solubilité des polysulfures tout en maintenant de bonnes performances électrochimiques. Les solutions actuelles reposent souvent sur des solvants fluorés denses, qui augmentent les coûts et l’impact environnemental. Ce projet explorera des systèmes de solvants alternatifs et étudiera l’influence de la composition et de la concentration en sels de lithium sur le comportement des cellules.
Afin d’approfondir la compréhension du mécanisme réactionnel quasi-solide, le projet inclura également des techniques de caractérisation operando ou in situ, telles que la spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X, et la tomographie X à haute résolution.
Croissance matériaux chalcogénures FerroMagnétiques 2D pour la spintronique
Les matériaux chalcogénures, notamment les alliages Ge-Sb-Te (GST), sont essentiels pour les mémoires à
changement de phase (PCMs). Bien que performantes, ces mémoires consomment beaucoup d’énergie, ce
qui pousse à explorer des solutions alternatives. Les alliages GST offrent des opportunités uniques dans le
domaine de la spin-orbitronique comme matériau d'interconversion spin-charge ou comme source de courant polarisé en spin. Les alliages ferromagnétiques 2D comme les alliages Fe-Ge-Te ou Ge-Mn-Te offrent des pistes prometteuses comme sources de courant de spin pour de nouveaux types de mémoires plus efficaces. Pour une injection de spin efficace, on recherche un matériau qui non seulement présente une température de Curie (TC) élevée et une polarisation de spin importante, mais qui est parfaitement compatible à la technologie CMOS existante à base de silicium.
Cette thèse a pour but de développer et de maîtriser de manière industrielle sur substrat Si 300 mm, la croissance par épitaxie van der Waals dans des bâtis de pulvérisation cathodique industriels de films ferromagnétiques 2D basés sur les alliages FenGe(Ga)Te2 (n=3, 5) ou Ge1-xMnxTe afin par exemple de les intégrer in situ avec des couches de chalcogénures d’interconversion spin-charge telles que les couches ferroélectriques (a-GeTe(111)) ou des isolants topologiques (Bi2-xSb2Te3).
Restauration des défauts d’irradiation dans les cellules solaires photovoltaïques en silicium cristallin pour l’environnement spatial
Les cellules solaires photovoltaïques (PV) silicium suscitent un intérêt fort pour le spatial. Elles permettent de répondre aux nouvelles exigences de ce secteur d’activité (baisse des coûts, forte croissance). C’est d’autant plus vrai si le spatial peut s’appuyer sur les évolutions les plus récentes des technologies silicium « terrestre » et les lignes de production associées. Sur les satellites, les cellules sont exposées aux irradiations électrons/protons. Ces irradiations induisent des défauts dans le substrat qui affectent les performances PV. Cependant, certains défauts peuvent être annihilés lors de recuits sous éclairement représentatifs des conditions d’utilisation de la cellule en orbite.
Les principaux objectifs de la thèse sont i) identification des mécanismes de dégradation sous irradiation électron/proton des propriétés optoélectroniques des cellules silicium à contacts passivés ii) développement d’une compréhension complète sur les effets d’annihilation des défauts lors de recuits au travers d’études expérimentales et de modélisations-simulations iii) définition et développement de procédés pour accélérer les mécanismes d’annihilation des défauts.
Pour atteindre ces objectifs, le travail de thèse s’appuiera sur les étapes suivantes : étude bibliographique, fabrication de cellules solaires, vieillissements accélérés sous irradiations protons et électrons, caractérisations avancées et modélisations. Les travaux auront essentiellement lieu au CEA/Liten, sur le Campus INES (Le Bourget du Lac, FR) en forte interaction avec le CNES (Toulouse, FR).
Amélioration du rendement faradique des cellules d’électrolyse céramiques protoniques (PCCEL) par l’ingénierie de l’électrolyte et de l’interface électrode–électrolyte
Les cellules d’électrolyse céramiques protoniques (PCCEL), une variante avancée des cellules d’électrolyse à oxyde solide (SOEC), permettent la production directe d’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau, en utilisant des électrolytes conducteurs protoniques. Contrairement aux SOEC classiques, qui reposent sur des électrolytes conducteurs d’ions oxygène (O²?), les PCCELs fonctionnent à plus basse température (~400–600?°C contre 750–850?°C pour les SOEC), grâce à une meilleure conductivité protonique. Cette réduction de température permet de limiter la dégradation des matériaux et de diminuer les coûts système. Tandis que la technologie SOEC atteint aujourd’hui un niveau de maturité industrielle, avec des projets à grande échelle en cours de déploiement, le développement des PCCELs reste limité par plusieurs verrous scientifiques. Parmi ceux-ci figurent : la difficulté à densifier les électrolytes (type BaCeO3–BaZrO3) sans volatilisation du baryum lors du frittage à haute température ; le rôle bloquant des joints de grains dans le transport protonique ; et la maîtrise encore imparfaite des interfaces électrode–électrolyte. Cette thèse vise à améliorer le rendement faradique des PCCELs en optimisant la microstructure des électrolytes et la qualité des interfaces via des traitements de surface ciblés. La méthodologie inclut la fabrication de cellules, l’ingénierie des interfaces, et l’évaluation électrochimique. L’objectif final est de proposer des protocoles robustes et reproductibles permettant d’atteindre un rendement faradique supérieur à 95?%, compatibles avec une mise à l’échelle industrielle.