Mesure de la réponse intra-pixel de détecteur infrarouge à base de HgCdTe avec des rayons X pour l’astrophysique
Dans le domaine de l'astrophysique infrarouge, les capteurs de photons les plus utilisés sont des matrices de détecteur basées sur le matériau absorbant HgCdTe. La fabrication de tels détecteurs est une expertise mondialement reconnue du CEA/Leti à Grenoble. Quant au département d'astrophysique (DAp) du CEA/IRFU, il possède une expertise reconnue dans la caractérisation de ce type de détecteurs. Une caractéristique majeure est la réponse spatiale du pixel (RSP), elle caractérise la réponse d'un pixel élémentaire de la matrice à la génération ponctuelle de porteurs au sein du matériau absorbant à divers endroits dans le pixel. Aujourd’hui cette caractéristique des détecteurs devient un paramètre clef des performances instruments, elle est critique lorsqu’il s’agit par exemple de mesurer la déformation de galaxie, ou de faire de l’astrométrie de précision. Il existe différentes méthodes existent pour mesurer cette grandeur (projection de sources lumineuses ponctuelles, méthodes interférentielles). Ces méthodes sont complexes à mettre en œuvre, notamment aux températures cryogéniques de fonctionnement des détecteurs.
Au DAp, nous proposons une nouvelle méthode, basée sur l’utilisation de photons X pour mesurer la RSP de détecteur infrarouge : en interagissant avec le matériau HgCdTe, le photon X va générer des porteurs localement. Ces porteurs vont diffuser avant d’être collectés. L’objectif est ensuite de remonter à la RSP en analysant les images obtenues. Nous suggérons une approche à deux volets, intégrant à la fois des méthodes expérimentales et des simulations. Des méthodes d’analyse de données seront aussi développées. Ainsi, l’objectif final de cette thèse est de développer une nouvelle méthode, robuste, élégante et rapide de mesure de la réponse intra-pixel de détecteur infrarouge pour l’instrumentation spatiale. L’étudiant.e sera basé au DAp. Ce travail implique également le CEA/Leti, combinant l'expertise instrumentale du DAp avec les connaissances technologiques du CEA/Leti.
Développement et caractérisation d'une ligne de lumière stabilisée à 13,5 nanomètres portant un moment angulaire orbital
La gamme d'énergie de photons de l'extrême ultraviolet (EUV, 10-100 nm) est cruciale pour de nombreuses applications allant de la physique fondamentale (attophysique, femto-magnétisme) aux domaines appliqués telles que la lithographie et la microscopie à l'échelle du nanomètre. Cependant, il n'existe pas de source naturelle de lumière dans ce domaine spectral sur Terre, car les photons sont fortement absorbés par la matière, ce qui nécessite un environnement sous vide. Il faut donc s'en remettre à des sources coûteuses, telles que les synchrotrons, les lasers à électrons libres ou les plasmas générés par des lasers intenses. La génération d'harmoniques laser d'ordre élevé (HHG), découverte il y a 30 ans et récompensée par le prix Nobel de physique en 2023, est une alternative prometteuse en tant que source de rayonnement EUV à l'échelle du laboratoire. Basée sur une interaction fortement non linéaire entre un laser de très courte durée et un gaz atomique, elle permet l'émission d'impulsions EUV d'une durée allant de la femtoseconde à l'attoseconde, avec des propriétés de cohérence très élevées et des flux relativement importants. Malgré des recherches intensives qui ont permis de comprendre clairement le phénomène, son utilisation a jusqu'à présent été essentiellement circonscrite aux laboratoires. Pour combler le fossé qui nous sépare des applications industrielles, il faut accroître la fiabilité de ces lignes de lumière, soumises à d'importantes fluctuations en raison de la forte non-linéarité du mécanisme, et développer des outils pour mesurer et contrôler leurs propriétés.
Le CEA/LIDYL et la PME Imagine Optic ont récemment réuni leur expertise dans un laboratoire commun afin de développer une ligne de faisceau EUV stable dédiée à la métrologie et aux capteurs EUV. Le laboratoire NanoLite, hébergé au CEA/LIDYL, est basé sur une ligne de faisceau HHG compacte à haut taux de répétition fournissant des photons EUV autour de 40eV. Plusieurs capteurs de front d'onde EUV ont été étalonnés avec succès au cours des dernières années. Cependant, de nouveaux besoins sont apparus récemment, entraînant la nécessité de moderniser la ligne de faisceau.
Le premier objectif du doctorant sera d'installer une nouvelle géométrie HHG sur la ligne de faisceau afin d'améliorer sa stabilité et son efficacité globales et d'augmenter l'énergie des photons à 92eV, une cible en or pour la lithographie. Il mettra ensuite en œuvre la génération d'un faisceau EUV porteur d'un moment angulaire orbital et améliorera le détecteur d'Imagine Optic pour caractériser son contenu en OAM. Enfin, avec l'aide des ingénieurs d'Imagine Optic, il développera une nouvelle fonctionnalité pour leurs capteurs de front d'onde afin de permettre la caractérisation de grands faisceaux.
Caractérisation avancée des domaines ferroélectriques dans les couches minces à base de HfO2
Ferroelectric random access memories (FeRAM) based on hafnium zirconium oxide (HZO) are intrinsically ultra-low power thanks to the voltage switching mechanism, the scaling potential of HZO to below 10 nm and full CMOS compatibility. In addition, they demonstrate low latency necessary for a wide variety of edge logic and memory applications. Understanding the underlying mechanisms and kinetics of ferroelectric domains switching is essential for intelligent FeRAM design and optimal performance.
This thesis focuses on the comprehensive characterization of ferroelectric (FE) domains in ultra-thin HZO films. The student will use several surface imaging techniques (piezoelectric force microscopy, PFM, low energy electron microscopy, LEEM, and x-ray photoemission electron microscopy, PEEM) combined with advanced operando characterization methods (time-resolved detection coupled with synchrotron radiation) for this purpose. This project will mark an important progress on the fundamental research on the polarization switching mechanisms of ultra-thin hafnia-based FE layer, elucidating the specific effects of the metal electrode/FE layer interface in the electrostatic behaviour of the studied capacitors. It will ultimately allow a significant breakthrough on the industrial development of ferroelectric emerging memories, essential for large-scale artificial intelligence (AI) applications.
Effet de la radiolyse de l’eau sur le flux d’absorption d’hydrogène par les aciers inoxydables austénitiques en réacteur nucléaire à eau pressurisée
Dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée, les éléments constitutifs du cœur sont exposés à la fois phénomènes de corrosion en milieu primaire, de l’eau pressurisée sous 150 bar et 300 °C environ, et à un flux neutronique. Les aciers inoxydables du cœur subissent des dommages dus à la combinaison du bombardement neutronique et de la corrosion. De plus, la radiolyse de l’eau peut impacter les mécanismes et cinétiques de corrosion, la réactivité du milieu et a priori les mécanismes et cinétique d’absorption d’hydrogène par ces matériaux. Ce dernier point, non étudié encore, peut s’avérer problématique car l’hydrogène en solution solide dans l’acier peut conduire à la modification (et la dégradation) des propriétés mécaniques de l’acier et induire une fissuration prématurée de la pièce. Cette thèse très expérimentale sera centrée sur l’étude de l’impact des phénomènes de radiolyse sur les mécanismes de corrosion et de prise d’hydrogène d’un acier inoxydable 316L exposé au milieu primaire sous irradiation. L’hydrogène sera tracé par le deutérium, et l’irradiation neutronique simulée par irradiation électronique sur accélérateurs de particules. Une cellule perméation existante sera reconfigurée pour permettre de mesurer in operando par spectrométrie de masse le flux de perméation de deutérium à travers un échantillon exposé au milieu primaire simulé en conditions de radiolyse. La distribution de l’hydrogène dans le matériau, ainsi que la nature des couches d’oxydes formées, seront analysées finement à l’aide des techniques de pointe disponibles au CEA et dans les laboratoires partenaires. Le(a) doctorant(e) devra in fine (i) identifier les mécanismes en jeu (corrosion et entrée d’hydrogène), (ii) en estimer les cinétiques et (iii) modéliser l’évolution du flux d’hydrogène dans l’acier fonction de l’activité de la radiolyse.
Etude de l’influence de la microstructure d’un acier 316L élaboré par procédé L-PBF sur ses propriétés mécaniques : caractérisation et modélisation du comportement en fluage et en fatigue
Les recherches sur la fabrication additive pour l'industrie nucléaire montrent que la production de composants en acier austénitique 316L par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) présente des défis techniques, notamment le contrôle des procédés, les propriétés des matériaux, leur qualification et la prédiction de leur comportement mécanique en conditions de service. Les propriétés finales diffèrent des procédés traditionnels, présentant souvent une anisotropie qui remet en question les normes de conception existantes.
Ces différences sont liées à la microstructure unique résultant du procédé L-PBF. La maîtrise de la chaîne de fabrication, de la consolidation à la qualification, nécessite une compréhension des interactions entre les paramètres du procédé, la microstructure et les propriétés mécaniques.
L'objectif de la thèse est d'étudier les relations entre la microstructure, la texture et les propriétés mécaniques de l'acier 316L fabriqué par L-PBF, sous sollicitations statiques ou cycliques. Cela comprend l'influence sur les propriétés de fluage et de fatigue, et le développement d'un modèle de prévision du comportement mécanique. A partir d'échantillons d'acier 316L avec des microstructures spécifiques consolidés par L-PBF, l'étude proposée vise à établir des liens entre la microstructure et les propriétés mécaniques pour mieux prédire le comportement en service.
Activation thermique du glissement des dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée
L'activation thermique du glissement des dislocations joue un rôle essentiel dans la déformation plastique des métaux de structures et donc dans le vieillissement de ceux-ci. Le cas des dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée constitue un archétype pour lequel il existe déjà de nombreuses données expérimentales auxquelles nous pouvons confronter les prédictions théoriques issues de la théorie statistique de Vineyard [1,2]. Cette théorie est essentielle car elle permet d'établir une transition d'échelle depuis les calculs atomistiques les plus fins jusqu'aux échelles macroscopiques des tests de déformation.
Dans le cadre de cette proposition de thèse nous souhaiterions tester à l'échelle atomique la théorie statistique de Vineyard en comparant les prédictions de la théorie avec des simulations de dynamique moléculaire [3]. Nos calculs préliminaires ont montré un désaccord notablement important tandis que la même comparaison pour la migration de défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels montrait un bon accord. Si ces résultats sont confirmés il nous faudra établir une correction et mesurer l'impact de cette correction sur les prédictions théoriques associées aux essais de traction.
[1] Vineyard G.H., J. Phys. Chem. Solids 3, 121 (1957).
[2] Proville L., Rodney D., Marinica M-C., Nature Mater. 11, 845 (2012).
[3] Proville L., Choudhury A., Nature Mater. 23, 47 (2024).
Influence de la densité d'ionisation dans l'eau sur des solutés fluorescents. Application à la Détection de rayonnements alpha
La localisation et l’identification rapide, à distance, des sources d’émission de particules alpha et beta sur les surfaces ou des cavités humides ou dans des solutions, dans des installations nucléaires en démantèlement, ou à assainir, est un véritable enjeu.
Le projet de thèse proposé vise à développer un concept de détection à distance d'une lumière de fluorescence issue de processus de radiolyse de l'eau sur des molécules ou des nano-agents. La caractérisation temporelle par des mesures de durées de vie de fluorescence permettra d’attribuer la détection à un type de rayonnement, dépendant de son transfert d'énergie linéique (TEL). Dans le pic de Bragg des rayonnements alpha où le TEL est maximal, la densité d'ionisation due à ce TEL influence la durée de vie de fluorescence. Cependant, des effets de débits de dose seront aussi à considérer.
Des molécules et nanoparticules candidates à former des produits fluorescents et sensibles à la densité d’ionisation et de radicaux produits dans les traces à temps très courts, seront identifiées par un travail guidé de bibliographie, puis testées et comparées par des mesures. Les mesures spectrales (absorption et fluorescence) et des durées de vie de fluorescence des espèces fluorescentes correspondantes seront réalisées en utilisant la méthode TCSPC (Time Corelated Single Photon Counting) multicanale (16 canaux). Des faisceaux d'ions ou des particules alpha provenant de sources scellées seront utilisés pour faire une preuve de concept dans le cadre du programme CEA assainissement/démantèlement.
Corrosion des métaux réactifs dans les nouveaux liants d’enrobage - Etude expérimentale et modélisation hydro-chemo-mécanique
Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs de l'industrie nucléaire, le conditionnement de divers types de déchets métalliques s’avère nécessaire pour un stockage à long terme. Ces déchets, parfois très réactifs et sujets à la corrosion, sont généralement immobilisés dans des conteneurs à l’aide de matrices cimentaires. Des liants innovants (ciments à faible émission de carbone, liants alcali-activés) sont ainsi développés pour améliorer les performances de ce conditionnement. Le projet européen STREAM (dans le cadre de Eurad-2) vise à évaluer les interactions entre les déchets métalliques et ces nouveaux liants. Le travail de thèse proposé consiste alors à étudier la corrosion des métaux réactifs dans les matrices cimentaires sélectionnées, par des méthodes électrochimiques. Un protocole expérimental générique sera élaboré pour évaluer les effets de la croissance des produits de corrosion sur le comportement mécanique du composite matrice/inclusions métalliques, et l’éventuel développement de microfissures. Des caractérisations post-mortem des interfaces métal/liant seront réalisées pour analyser la microstructure et mesurer les propriétés mécaniques des matériaux, en particulier les produits de corrosion. Les résultats alimenteront dans un second temps un modèle couplé Hydro-Chemo-Mécanique (HCM) simplifié, visant à simuler les effets de la corrosion sur le comportement du matériau composite. Ce modèle sera destiné par la suite à être utilisé pour la simulation du comportement de colis de déchets à long terme.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux aussi bien dans le domaine expérimental que de modélisation/simulation de phénomènes couplés physico-chimiques.
Impact d’un panache salin en nitrate de sodium sur les propriétés de confinement des matrices cimentaires vis-à-vis des radionucléides
Prédire par la modélisation la migration d’un toxique chimique radioactif à travers un matériau poreux connu de tous tel que le béton est un enjeu sociétal majeur ; en particulier dans le cadre des études liées au stockage des déchets issus de l’industrie nucléaire. Démontrer que le modèle proposé est robuste par des expériences en laboratoire ciblées en conditions physico-chimiques extrêmes est un des défis scientifiques proposé par le CEA dans le cadre de ce projet de recherche.
Le(la) doctorant(e) aura en charge de concevoir, de réaliser et de modéliser des essais expérimentaux de rétention et de diffusion de radionucléides d’intérêt en conditions cimentaires contrôlées ou perturbées par la présence des nitrates à très fortes concentrations. Le résultat principal attendu est la proposition d’un modèle prédictif couplant la chimie en condition de forte force ionique et le transport à travers des matrices cimentaires complexes validé par les données expérimentales acquises sur systèmes simples.
Entouré(e) par une équipe composée d’experts dans le domaine de la mesure et modélisation de la migration de radionucléides en milieu poreux, le/la doctorant(e) pourra développer ou approfondir ses compétences dans les domaines suivants: chimie, chimie analytique, physico-chimie, radiochimie et modélisation.
Nanostructures Organiques 2D Covalentes par Réticulation Optiquement Contrôlée d’auto-assemblages moléculaires
L’auto-assemblage de molécules sur substrat cristallin permet d’aboutir à des structures 2D non-covalentes présentant des propriétés intéressantes pour différents domaines tels que l’optoélectronique ou les capteurs. La stabilisation de ces réseaux 2D en réseaux covalents est alors un enjeu de taille et un sujet d’actualité. Différentes démonstrations font état de réticulation déclenchée par des processus thermiques. A contrario, la photoréticulation est peu décrite et pour les quelques exemples trouvés, elle est employée dans des conditions d’ultra-vide.
Sur la base du savoir-faire précédemment développé et de l’expertise complémentaire de collaborateurs chimistes, nous nous proposons de mettre en oeuvre une photoréticulation de réseaux 2D à pression atmosphérique. Pour cela, un système modèle d’oligophényles fonctionnalisés pour permettre une photoréticulation et l’obtention d’un réseau 2D covalent sera utilisé. Les réseaux obtenus seront caractérisés en corrélant spectroscopie optique et microscopie à sonde locale pour suivre et mettre en évidence les processus de réticulation photo-induite à l’échelle de la longueur d’onde.