Dynamique de fracture dans des technologies de transfert de couches cristallines
Le Smart Cut™ est une technologie découverte au CEA et désormais utilisée industriellement pour la fabrication de substrats avancés pour l'électronique. Cependant, les phénomènes physiques mis en jeu dans sa mise en œuvre font encore l'objet de nombreuses études au CEA. Dans le Smart Cut™, une fine couche de matériau est transférée d'une plaquette à l'autre en utilisant une étape clé de recuit de fracture durant laquelle une fracture macroscopique s'initie et se propage à plusieurs km/s [i].
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L'amélioration de la technologie nécessite une solide compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l'étape de fracture. L'objectif de ce projet de doctorat est donc d'étudier les mécanismes impliqués dans l'initiation et la propagation des fractures, ainsi que les vibrations post-fracture.
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Sur le site du CEA-Grenoble, avec un intérêt industriel, l'étudiant utilisera et développera les dispositifs expérimentaux existants pour étudier le comportement de la fracture dans les matériaux fragiles, y compris les réflexions laser optiques [iv], l'imagerie synchrotron diffractante résolue dans le temps [iii], et l'imagerie directe ultra-rapide [ii].
En outre, des algorithmes d'analyse de données basés sur python seront développés pour extraire des informations quantitatives des différents ensembles de données. Cela permettra à l'étudiant de déterminer les mécanismes impliqués et d'évaluer l'influence des paramètres de traitement des plaquettes sur le comportement de la fracture, et donc de proposer des méthodes d'amélioration.
Références :
[i] https://pubs.aip.org/aip/apl/article/107/9/092102/594044
[ii] https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.024068
[ii] https://journals.iucr.org/j/issues/2022/04/00/vb5040/index.html
[iv] https://pubs.aip.org/aip/jap/article/129/18/185103/158396
Recyclage chimique de déchets plastiques oxygénés et azotés par des voies de réduction catalytique
Depuis les années 1950, le recours aux plastiques pétrosourcés a créé un monde moderne consumériste basé sur l’utilisation de produits jetables. La production mondiale considérable de déchets plastiques a presque doublé en 20 ans, atteignant aujourd’hui les 468 millions de tonnes par an. Ces déchets plastiques, non biodégradables, engendrent de nombreuses pollutions environnementales (perturbations de la faune et de la flore, pollutions des eaux et des sols, etc.).. A peine 9% de ces déchets ont été recyclés, le reste étant brulé ou stocké en décharges. Les problèmes sanitaires, climatiques et sociétaux inhérents à cette économie linéaire imposent de créer une circularité de ces matières en développant des voies de recyclages efficaces et robustes. Alors que les voies actuelles de recyclage reposent en majorité sur des procédés mécaniques et se restreignent à des gisements particuliers de déchets (e.g. les bouteilles d’eau plastiques), le développement de méthodes chimiques de recyclage semble prometteur pour traiter des déchets dont les filières de recyclage sont inexistantes. De tels procédés chimiques permettent de récupérer la matière carbonée des plastiques pour en régénérer de nouveaux.
Dans cet objectif de circularité de la matière, le projet doctoral vise à développer de nouvelles voies de recyclage chimique de déchets plastiques mixtes oxygénés/azotés tels que les polyuréthanes (mousses d’isolement, matelas, etc.) et les polyamides (fibres textiles, boîtiers disjoncteurs, etc.), dont les filières de recyclage sont quasi inexistantes. Ce projet repose sur une stratégie de dépolymérisation catalytique de ces plastiques, par coupures sélectives des liaisons carbone-oxygène et/ou carbone-azote, pour former les monomères ou leurs dérivés correspondants. Pour ce faire, des systèmes catalytiques mettant en jeu des catalyseurs métalliques couplés à des réducteurs abondants et peu coûteux, comme les alcools et l’acide formique seront développés. L’utilisation du dihydrogène, réducteur industriel, sera également considérée. Dans le but d’optimiser ces systèmes catalytiques, nous chercherons à comprendre leur mode de fonctionnement et les mécanismes impliqués.
Porte à deux bits quantiques à base d'hétérostructures de Germanium
Nous travaillons sur les qubits de spin en germanium, un matériau prometteur et polyvalent pour concevoir des bits quantiques de spin. Dans ces « hétérostructures », les trous sont hébergés dans une couche de germanium prise en sandwich entre deux couches de silicium/germanium. Ces trous présentent une mobilité très élevée et, contrairement aux spins électroniques qui ne sont sensibles qu'aux champs magnétiques, les spins des trous peuvent être manipulés par un champ électrique, c'est-à-dire par des tensions sur une grille. Ce contrôle entièrement électrique présente un inconvénient : les spins deviennent sensibles au bruit électrique et donc au bruit de charge dans les dispositifs. Les hétérostructures de germanium sont dotées de grilles métalliques qui écrantent en grande partie le bruit de charge provenant des défauts qu'elles recouvrent; cependant, dans les régions non couvertes par les grilles, les charges non écrantées sont responsables du bruit de charge qui limite le temps de cohérence.
Nous sommes en train d'acquérir un équipement de salle blanche unique combinant le dépôt et la gravure de couches atomiques, qui permettra de développer des structures originales où les grilles pénètrent profondément dans l'hétérostructure, afin de contourner l'effet de ces charges solitaires sur la surface dans le cas des grilles en surface. Grâce à cette nouvelle approche, la définition et la manipulation des points quantiques seront extrêmement simplifiées, et nous prévoyons d'obtenir des dispositifs de portes à deux qubits dans cette thèse.
Etude de la catalyse de l’acide nitrique sur les aciers inoxydables
Le vieillissement des matériaux (principalement des aciers inoxydables) de l’usine de retraitement des combustibles nucléaires usés fait l’objet d’une importante activité de R & D au CEA. Le contrôle de ce vieillissement sera réalisé par une meilleure compréhension des mécanismes de corrosion des aciers inoxydables en acide nitrique (l'agent oxydant utilisé dans les étapes de retraitement).
L'objectif de la thèse est de développer un modèle de corrosion d’un acier inoxydable en fonction de la température et de la concentration en HNO3 via la quantification des produits de corrosion. Cette thèse représente un réel challenge technologique car actuellement peu d’études existent sur des mesures électrochimiques in situ dans l’acide nitrique chaud et concentré. Le doctorant réalisera également un travail expérimental important en couplant des mesures électrochimiques, des analyses chimiques (spectrométrie UV-visible-IR ...) et des analyses de surfaces (SEM, XPS,…). Sur la base de ces résultats expérimentaux, un modèle sera développé, qui sera incorporé à l'avenir dans un modèle plus global du vieillissement des équipements industriels de l'usine.
Le laboratoire est spécialisé dans l'étude de la corrosion dans des conditions extrêmes. Il est composé d'une équipe scientifique très dynamique et motivée qui a l'habitude de recevoir des étudiants.
Magnons topologiques dans les matériaux quantiques
La topologie est devenue un paradigme essentiel en matière condensée, permettant de classer les phases de la matière selon des propriétés invariantes sous des déformations continues. Les premières recherches dans ce domaine se sont essentiellement concentrées sur les structures de bandes électroniques, conduisant par exemple à la découverte des « isolants topologiques ». Cependant, ces concepts topologiques ne sont pas restreints seulement aux électrons (fermions) et ainsi, l'application de tels concepts aux bosons, en particulier les magnons, suscite un intérêt croissant. Les magnons, qui sont des excitations collectives dans les matériaux magnétiques, illustrent comment la topologie influence la dynamique magnétique et affecte le transport de chaleur et de spin. Des analogues d'isolants topologiques et de semi-métaux apparaissent dans leurs structures de bandes de magnons. Les magnons offrent ainsi une plateforme pour étudier l'interaction entre symétries magnétiques et topologie, examiner l'effet des interactions sur les bandes topologiques, et générer des courants de spin protégés aux interfaces. La recherche de matériaux contenant des magnons topologiques est donc cruciale, surtout pour les applications en magnonique, qui exploitent les ondes de spin pour le stockage et le traitement rapide des données.
Ce projet de thèse se consacre à explorer ces aspects topologiques dans des matériaux quantiques candidats à l’aide de techniques de diffusion de neutrons et de rayons X dans les grandes infrastructures de recherche (ILL, ESRF, SOLEIL), pour analyser la structure de bande des magnons à la recherche de caractéristiques topologiques, comme les points de Dirac ou de Weyl. Les résultats expérimentaux seront soutenus par des calculs théoriques des bandes magnoniques intégrant des concepts topologiques.
Imagerie des champs de déformations dans les semi-conducteurs: du matériau au dispositif
Ce sujet traite de la visualisation et de la quantification des champs de déformation dans les matériaux semi-conducteurs, par des techniques utilisant le rayonnement synchrotron. Le contrôle de la déformation est fondamental pour optimiser les propriétés de transport électronique, mécaniques et thermiques. Dans une approche duale, nous combinerons la détermination du tenseur local de déformation déviatorique en balayant l'échantillon sous un nano faisceau polychromatique (µLaue) et une imagerie d'un champ de vu donné (microscopie aux rayons X en champ sombre, DFXM).
Des recherches originales s’intéresseront à améliorer l’analyse : (1) de la précision et de la vitesse de détermination quantitative des champs de déformation, (2) des distributions des gradients de déformation, et (3) du champ de déformation dynamique dans les matériaux piézoélectriques par des mesures stroboscopiques. Pour illustrer ces points, trois cas scientifiques correspondant à des matériaux microélectroniques pertinents et de complexité croissante seront étudiés :
1.Champs de déformation statiques entourant des contacts métalliques dans le Si, tels que les vias à travers le silicium (TSV) à haute densité dans la technologie CMOS.
2.Gradients de déformation dans des structures hétéroépitaxiales complexes Ge/GeSn avec des variations de composition le long de la direction de croissance.
3.Études de déformation dynamique de résonateurs acoustiques LiNbO3 en volume avec une fréquence de résonance dans la plage des MHz.
La validation de cette approche conceptuelle permettra une avancée significative dans le domaine de la microélectronique et l'ingénierie de déformation.
Developpement de matériaux de barrière auto-formants pour interconnexions BEOL avancées
Contexte : Avec la miniaturisation des dispositifs électroniques et l'introduction de nœuds technologiques avancés inférieurs à 10 nm, la fiabilité des interconnexions en cuivre (Cu) devient un enjeu central pour maintenir les performances des dispositifs microélectroniques. Ces interconnexions doivent non seulement garantir une conductivité optimale, mais aussi résister à la diffusion et à la délamination. Traditionnellement, des barrières de diffusion à base de tantale (Ta/TaN) sont utilisées pour empêcher la diffusion du cuivre dans le diélectrique. Cependant, à mesure que les dimensions des dispositifs diminuent, l'incorporation de ces barrières devient de plus en plus complexe, même avec des techniques avancées comme le dépôt de couches atomiques (ALD), car l'épaisseur de la barrière doit être réduite à quelques nanomètres. Pour relever ce défi, une alternative prometteuse émerge avec les barrières auto-formantes (Self-Forming Barriers, SFB). Ce procédé utilise des alliages de cuivre enrichis en éléments tels que le manganèse (Mn), le titane (Ti), l'aluminium (Al) ou le zinc (Zn), qui migrent à l'interface Cu-dielectrique pour former une barrière ultra-fine. Cette solution simplifie le processus de fabrication tout en minimisant la résistance électrique des interconnexions.
Projet de thèse : Le candidat au doctorat rejoindra une équipe de recherche multidisciplinaire pour explorer et optimiser les matériaux pour la réalisation de SFBs en utilisant des alliages de Cu. Les axes principaux incluent :
• Sélection et caractérisation des matériaux : Développer et analyser des films minces d'alliages de Cu par des méthodes électrochimiques et/ou PVD pour étudier leur microstructure et leur morphology.
• Formation de barrière : Contrôler la migration des alliages à l'interface Cu/dielectrique lors de l'annealing thermique et évaluer l'efficacité de la barrière.
• Propriétés électriques et mécaniques : Évaluer l'impact des SFB sur la résistance électrique, l'électromigration et la délamination, en particulier lors de tests accélérés.
Compétences requises : Diplôme de Master en électrochimie ou en science des matériaux avec un fort intérêt pour la recherche appliquée. Un intérêt prononcé pour le travail expérimental, des compétences en dépôt de films minces, électrochimie et caractérisation des matériaux (AFM, SEM, XPS, XRD, SIMS). Vous devez être capable de mener des recherches bibliographiques et d'organiser votre travail de manière efficace.
Environnement de travail : Le candidat travaillera au sein d'une équipe pluridisciplinaire et aura accès à des installations de pointe de 200/300 mm, il participera au projet NextGen du CEA sur des interconnexions avancées pour des applications à haute fiabilité.
Etude de la diffusion de petits amas de xénon au sein du combustible nucléaire métallique UMo
Ce sujet de thèse est centré sur l’application de méthodes de calcul à l’échelle des atomes afin d’étudier la diffusion et la stabilité intra-granulaire d’amas de Xe au sein du combustible métallique UMo.
Les alliages d’uranium-molybdène UMo présentent d’excellentes propriétés thermiques et une bonne densité en uranium. C’est notamment pour ces propriétés que l’UMo monolithique est considéré comme l’un des potentiels combustibles candidats pour les réacteurs de recherche. Il est donc crucial pour le CEA de développer de nouveaux modèles de calcul permettant d’analyser l’évolution des propriétés thermomécaniques de l’UMo en conditions d’irradiation.
Au cours de cette thèse, votre travail consistera dans un premier temps à valider ou recalibrer si nécessaire les modèles de calcul à l’échelle atomique existants pour l’UMo dans la littérature. Vous devrez ensuite de les appliquer à la simulation de la stabilité et de la diffusion de petits amas de xénon au sein de cristaux d’UMo. Ces calculs seront effectués à l’aide de méthodes de dynamique moléculaire accélérée novatrices, et seront systématiquement comparés aux résultats obtenus pour le combustible nucléaire de référence UO2. Après avoir analysé vos résultats par comparaison aux mesures expérimentales de collaborateurs du département, vous serez en charge de transférer les données produites à d’autres chercheurs du département afin d’alimenter les codes de simulation des combustibles nucléaires à plus grande échelle. Vos résultats seront publiés au sein de publications scientifiques, et vous présenterez vos résultats dans le cadre de conférences scientifiques.
L’ensemble de ces travaux vous permettrons de compléter votre formation en acquérant des compétences applicables à de nombreux domaines de la science des matériaux: calculs ab initio, ajustement de potentiels interatomiques par techniques de « machine learning », dynamique moléculaire classique et accélérée, utilisation des super-calculateurs du CEA, ainsi que de nombreux éléments de physique statistique et de physique de la matière condensée, méthodes dont les membres de l’équipe encadrante sont des spécialistes.
Vous serez accueilli au sein du Laboratoire de Modélisation du Comportement des Combustibles (Institut IRESNE, CEA Cadarache). Il s’agit d’un groupe de recherche dynamique, au sein duquel vous serez amené à collaborer avec les autres doctorants présents au laboratoire. L’environnement de travail sera de plus riche en collaboration nationales et internationales (expérimentateurs du département, Institut ISAS (CEA Saclay), Laboratoire CINAM à Marseille, collaborations avec les laboratoires nationaux américains), qui vous permettront de vous insérer au sein de la communauté de la recherche en matériaux pour les sciences du nucléaire.
Décontamination assistée par ultrasons de solides pollués en mercure
Le mercure, considéré comme l’un des polluants les plus dangereux, a été largement utilisé dans l’industrie, en particulier dans des électrolyseurs (procédé chlor-alkali). De nombreuses installations ont ainsi été contaminées. Les méthodes de stabilisation ou de décontamination existantes sont énergivores ou limitées en termes de spéciation. Nous nous intéressons ici à l’apport d’une irradiation ultrasonore dans un procédé de lixiviation du mercure présent dans des solides poreux (comme des mortiers). La caractérisation des solides et liquides avant/après décontamination sera effectuée par microscopie électronique à balayage (MEB) couplée à spectrométrie EDX, diffraction des rayons X (DRX) et spectrométrie de fluorescence des rayons X.
La thèse se déroulera sur le centre de Marcoule situé à 30 minutes d’Avignon, dans les Laboratoire des Procédés Supercritiques et de Décontamination (DMRC/STDC/LPSD) et Laboratoire de Sonochimie dans les Fluides Complexes (ICSM//LSFC). Le site, desservi par des bus, accueille de nombreux doctorants et post-doctorants. Le candidat recherché est ingénieur/titulaire d’un master 2 avec un profil génie chimique et des compétences souhaitées en chimie analytique et chimie inorganique. Le candidat acquerra une première expérience dans le domaine de la décontamination, qui constitue une des problématiques majeures liées à l’économie circulaire des énergies. Il pourra, selon l’orientation visée de la thèse, poursuivre sa carrière dans le milieu académique ou dans l’industrie.
Etude du comportement en corrosion dans NaCl-MgCl2-CeCl3 d’un alliage base nickel en présence de produits de fission (Te,S) pour les réacteurs à sels fondus
L’accès à une énergie propre et peu coûteuse semble plus que jamais primordial dans le contexte actuel d’urgence climatique. Plusieurs pistes sont envisagées depuis plusieurs années déjà mais de nombreux verrous technologiques restent à lever pour les concrétiser, tant elles représentent des ruptures technologiques. Que ce soit pour le stockage d’énergie ou les réacteurs nucléaires de 4ème génération, le milieu sel fondu utilisé comme caloporteur et/ou comme combustible est fortement corrosif rendant le choix des matériaux de structure très complexe.
L’objectif du sujet de thèse proposé au sein du Service de Corrosion et du Comportement des Matériaux (S2CM) consiste en l’étude intégrale du comportement d’alliages base nickel prometteurs dans le ternaire NaCl-MgCl2-CeCl3, représentatif du sel utilisé dans le concept français de réacteurs à sels fondus, à 600°C. Par intégrale, il est ici entendu depuis la préparation d’éprouvette à la caractérisation multi-échelle et multi-techniques des produits de corrosion. Cette thématique revêt un haut caractère expérimental et de compréhension des mécanismes de corrosion. L’influence des produits de fission, tels que le tellure ou le soufre sur les mécanismes de corrosion sera particulièrement étudiée.