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.
Effets des produits de fission et de la microstructure sur les mécanismes d’oxydation des combustibles (U,Pu)O2
Dans un souci d’économie des ressources en uranium et de stabilisation de son inventaire en plutonium, la France étudie la possibilité de généraliser l’emploi des combustibles à base d’oxyde mixte d’uranium et de plutonium (MOX) au sein de son parc électronucléaire. Ce scénario impliquerait de faire évoluer l’outil industriel existant pour permettre le traitement des assemblages de MOX irradiés à cadence industrielle, et de rendre ainsi possible le multi-recyclage du plutonium. Relever ce défi nécessite le développement de procédés innovants, dont les bases scientifiques sont à construire.
L’oxydation des MOX irradiés via un traitement thermique oxydant pourrait permettre de lever l’un des verrous technologiques identifiés, qui réside dans la séparation du combustible de sa gaine métallique en amont de l’étape de dissolution. Il n’existe toutefois à l’heure actuelle que peu de données sur l’oxydation des oxydes (U,Pu)O2 et encore moins sur l’impact des produits de fission et des propriétés microstructurales. L’objectif de cette thèse est de contribuer à combler ces lacunes. Pour cela l’étudiant(e) retenu(e) étudiera des échantillons (U,Pu)O2 présentant une microstructure identique aux combustibles MOX industriels ainsi que des échantillons (U,Pu)O2 dopés en produits de fission, qui simulent les combustibles irradiés comme montré par une thèse en cours dans le laboratoire. Les travaux expérimentaux s’appuieront majoritairement sur la réalisation d’expérimentations d’oxydation en température couplées à des analyses in situ et multi-échelle utilisant des techniques de laboratoire et le rayonnement synchrotron. Ces résultats permettront d’obtenir une description phénoménologique de l’impact des produits de fissions, de la pO2, de la température et de la durée du traitement thermique sur les mécanismes d’oxydation des combustibles MOX irradiés.
A l’issue de cette thèse, le(la) candidat(e), de formation initiale en physico-chimie des matériaux, maitrisera un large panel de techniques expérimentales. Ces compétences lui ouvriront de nombreuses perspectives professionnelles tant dans la recherche académique qu’en R&D industrielle, que ce soit dans le secteur du nucléaire que dans d’autre domaines.
Expérimentation haut débit appliquée aux matériaux pour batteries
Utilisée depuis de nombreuses années dans le domaine de la pharmacie, l’expérimentation ou criblage haut débit (high throughput screening) apparait comme une méthode efficace pour conduire à la découverte accélérée de matériaux et comme un nouvel outil permettant d’élucider les relations composition-structure-propriétés fonctionnelles. Cette méthode est basée sur la synthèse combinatoire rapide d’un grand nombre d’échantillons de compositions différentes, combinée des caractérisations physico-chimiques rapides et automatisées par différentes techniques. Elle est utilement complétée par un traitement de données adapté.
Une méthodologie de ce type adaptée aux matériaux pour batteries lithium a été mise en place récemment au CEA Tech. Elle est basée d’une part sur la synthèse combinatoire de matériaux synthétisés par co-pulvérisation cathodique magnétron sous forme de couches minces, et d’autre part sur la réalisation de cartographies d’épaisseur (profilométrie), de composition élémentaire (EDS, LIBS), de structure (µ-DRX, Raman) et de propriétés électr(ochim)iques de bibliothèques de matériaux (~100) déposés sur un wafer. Une première phase a permis de mettre en place les principaux outils au travers de l’étude d’électrolytes solides amorphes de type Li(Si,P)ON pour batteries tout solide.
L’objectif de cette thèse est de poursuivre le développement de la méthode de manière à permettre l’étude de nouvelles classes de matériaux pour batteries : électrolytes cristallins ou vitrocéramiques pour Li ou Na, matériaux d’électrode oxydes, sulfures ou alliages métalliques. Il s’agira en particulier de tirer parti de nos nouveaux équipements de cartographie des propriétés physico-chimiques (µ-diffraction X, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) et d’établir une méthodologie de fabrication et de caractérisation de bibliothèques d’accumulateurs tout-solide en couches minces. Une partie de ce travail pourra également concerner le traitement des données et la programmation des moyens de caractérisation.
Ce travail sera l’objet de collaborations avec des chercheurs de l’ICMCB et du CENBG
Qubits volants dans le graphène
Les systèmes à l'état solide, actuellement envisagés pour le calcul quantique, sont construits à partir de systèmes localisés à deux niveaux, dont des exemples emblématiques sont les qubits supraconducteurs ou les points quantiques semi-conducteurs. Étant donné qu'ils sont localisés, ils nécessitent une quantité fixe de matériel par qubit.
Les qubits propagateurs ou "volants" présentent des avantages distincts par rapport aux qubits localisés : l'empreinte matérielle dépend uniquement des portes et des qubits eux-mêmes (photons), qui peuvent être créés à la demande, rendant ces systèmes facilement évolutifs. Un qubit qui combinerait les avantages des systèmes localisés et des qubits volants offrirait un changement de paradigme dans la technologie quantique. À long terme, la disponibilité de ces objets ouvrirait la possibilité de construire un ordinateur quantique universel combinant une petite empreinte matérielle fixe et un nombre arbitrairement grand de qubits avec des interactions à longue portée. Une approche prometteuse dans ce sens consiste à utiliser des électrons plutôt que des photons pour réaliser de tels qubits volants. L'avantage des excitations électroniques réside dans l'interaction de Coulomb, qui permet la mise en œuvre d'une porte à deux qubits.
L'objectif de ce doctorat sera le développement de la première plateforme nanoélectronique quantique pour la création, la manipulation et la détection d'électrons volants sur des échelles de temps allant jusqu'à la picoseconde, afin de les exploiter pour des technologies quantiques.
Développement d’argyrodites à fort taux d’halogènes pour batterie tout-solide tout-sulfure
Les batteries tout-solides connaissent un regain d’intérêt depuis quelques années puisque cette technologie permet d’envisager une augmentation des densités d’énergie due à l’utilisation du lithium comme électrode négative mais également une augmentation de la sécurité des batteries par rapport à la technologie Li-ion. L’utilisation de sulfures comme matériaux d’électrode positive couplés à l’argyrodite comme électrolyte solide sont des systèmes intéressants à développer. En effet, les argyrodites atteignent des conductivités ioniques proches de celles des électrolytes liquides. De plus, la fenêtre de stabilité en cyclage des sulfures est proche de celle de l’argyrodite faisant de la technologie tout-sulfure une technologie prometteuse pour le développement des batteries tout-solides.
Dans une volonté d’améliorer les propriétés de conduction des argyrodites, des études récentes ont montré que la conductivité ionique dépend fortement de leur structure locale. La RMN du solide apparait ainsi comme une technique prometteuse afin de sonder les environnements locaux des noyaux cités et notamment de quantifier la variété d’environnements locaux différents favorisant une hausse de la conductivité ionique. Des compositions enrichies en halogénures semblant favoriser la conduction ionique, la synthèse de matériaux correspondant et leur structure seront étudiées.
La thèse s’articulera ainsi autour de deux axes principaux, l’étude de batteries tout-sulfures et la caractérisation fine d'argyrodite avec des structures locales contrôlées. En effet, des argyrodites riches en halogène seront développées et étudiées afin de déterminer l'influence des différents environnements locaux sur les propriétés de conduction.
Nouveaux films minces multiferroïques artificiels hybrides à base d’oxynitrures
Les oxydes dopés N et/ou les oxynitrures constituent une classe de composés nouveaux et en plein essor présentant une large gamme de propriétés utilisables, en particulier pour les nouvelles technologies de production d'énergie décarbonée, les revêtements de surface pour l’amélioration de la tenue mécanique des aciers ou la protection contre la corrosion ainsi que pour des capteurs multifonctionnels. Dans ce domaine de recherche, la recherche de nouveaux matériaux est particulièrement souhaitable en raison des propriétés peu satisfaisantes des matériaux actuels. L'insertion d'azote dans le réseau cristallin d'un oxyde semiconducteur permet en principe de moduler sa structure électronique et ses propriétés de transport pour obtenir de nouvelles fonctionnalités. Une compréhension fine de ces aspects requiert des matériaux aussi parfaits que possibles. La production de films minces monocristallins correspondants, est cependant un défi important. Dans ce travail de thèse, des films d’oxynitrures monocristallins seront élaborés par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasma atomique. L’hétérostructure multiferroïque combinera deux couches enrichies en azote : une couche ferroélectrique de BaTiO3 dopée N ainsi qu'une ferrite fortement dopée ferrimagnétique dont les propriétés magnétiques pourront être modulées grâce au dopage N pour obtenir de nouveaux matériaux multiferroïques artificiels plus satisfaisants pour les applications. Les structures résultantes seront étudiées quant à leurs caractéristiques ferroélectriques et magnétiques ainsi que de leurs couplages magnétoélectriques en fonction du dopage N. Ces observations seront corrélées à une compréhension détaillée des structures cristallines et électroniques. Ces dernières seront modélisées grâce à des calculs de structure électronique pour parvenir à une description complète de cette nouvelle classe de matériaux.
Le (la) candidate abordera l’ensemble des techniques d’ultra-vide, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, des mesures ferroélectriques et de magnétométrie, ainsi qu’un large panel de méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés. Le dichroïsme magnétique des rayons X est particulièrement adapté à cette étude et le projet donnera lieu à une collaboration étroite et/ou un co-encadrement avec la ligne DEIMOS du synchrotron SOLEIL.
Elaboration, caractérisation et modélisation de films minces à base d’oxydes (Mn,Co)3O4 appliquées aux revêtements contre la corrosion et à la spintronique
Les spinelles de métaux de transition apparaissent spontanément lors de la corrosion généralisée des aciers ou alliages en milieu aqueux ou gazeux à haute température. Ces phases spinelles de type AB2O4 forment une couche de corrosion continue et régissent de ce fait les processus de corrosion car elles régulent la conductivité et le transport de matière entre le matériau et le milieu. Ces spinelles sont aussi déposés volontairement comme revêtements de protection contre les phénomènes de dégradation. En particulier, le système spinelle Mn-Co-O est très prometteur en tant que couche conductrice protectrice sur l’acier inoxydable ferritique utilisé pour fabriquer des interconnexions dans les piles à combustibles à oxyde solide pour la production d’hydrogène vert. Le choix de la composition de ces phases spinelle détermine évidement les caractéristiques de protection des revêtements. Ces caractéristiques sont particulièrement délicates pour les matériaux des électrolyseurs à haute température car le transport électronique doit être optimal (électrolyse importante) mais ne doit pas s’accompagner de transport de matière (diffusion des cations faible).
Paradoxalement, les propriétés de transport des spinelles de métaux de transition sont en général mal connues. Les mesures sont faites sur des couches de corrosion ou des revêtements de compositions variables, de faibles cristallinités, de microstructures complexes et de surcroit de faibles épaisseurs. Par ailleurs, les spinelles montrent des propriétés magnétiques et de désordre cationique en fonction de la composition largement ignorés alors qu’elles ont un impact fort sur le transport. Ce sont précisément ces propriétés magnétiques et de transport qui présentent un intérêt majeur dans le domaine de la spintronique. Ainsi, la manipulation de la composition chimique de ces oxydes de structure spinelle (normale, inverse ou mixte) offre une large gamme de propriétés magnétiques (ferrimagnétique, antiferromagnétique) et électroniques (semi-métallique, semi-conducteur, isolant). En particulier CoMn2O4, est prédit avoir une configuration magnétique complexe [1], reliée principalement à l’arrangement des cations Co2+ et Mn3+ dans les sites interstitiels, qu’il convient d’analyser en détail. Ces études physiques requièrent, à l’inverse des couches de corrosion, la synthèse de couches minces de composition et de cristallinité bien maitrisées.
L’objectif de la thèse est d’une part d’apporter les connaissances structurales et physiques des oxydes modèles de composition chimique (Mn,Co)3O4 pour contribuer à l’élaboration de diagramme de phase (Mn-Co-O) et d’autre part de développer un modèle de transport électronique reposant sur la relation entre ordre/désordre – propriétés magnétiques et résistivité pour les spinelles (Mn,Co)3O4 et à terme sur l’ensemble des spinelles (Fe,Cr,Mn,Co)3O4. Les investigations seront conduites sur des couches minces de composition parfaitement maitrisées, de grande cristallinité et seront complétées par des simulations numériques. L’ensemble des travaux expérimentaux et de modélisation s’appuiera sur les résultats des études précédentes sur les couches simples de spinelles de composition (Ni,Fe,Cr)3O4 [2,3].
La thèse comportera plusieurs volets :
- Croissance de couches minces et multicouches par MBE (Molecular Beam Epitaxy) (J.-B. Moussy)
- Caractérisations spectroscopiques par XPS (X-ray photoemission spectroscopy) (F. Miserque)
- Caractérisations structurales fines par DRX et par absorption X (XMCD) (P. Vasconcelos)
- Modélisation des spectres XPS et d’absorption X, et modélisation atomistique (A. Chartier)
- Caractérisations magnétiques par magnétométrie SQUID/VSM et électriques (J.-B. Moussy)
[1] Systematic analysis of structural and magnetic properties of spinel CoB2O4 (B= Cr, Mn and Fe) compounds from their electronic structures, Debashish Das, Rajkumar Biswas and Subhradip Ghosh, Journal of Physics: Condensed Matter 28 (2016) 446001.
[2] Stoichiometry driven tuning of physical properties in epitaxial Fe3-xCrxO4 thin films, Pâmella Vasconcelos Borges Pinho, Alain Chartier, Denis Menut, Antoine Barbier, Myrtille O.J.Y. Hunault, Philippe Ohresser, Cécile Marcelot, Bénédicte Warot-Fonrose, Frédéric Miserque, Jean-Baptiste Moussy, Applied Surface Science 615 (2023) 156354.
[3] Elaboration, caractérisation et modélisation de films minces et multicouches à base d’oxydes (Ni,Fe,Cr)3O4 appliquées à la corrosion et à la spintronique, A. Simonnot, thèse en cours.
Etude et utilisation de verres à l’uranium pour la détection des neutrons par voie optique
Le Laboratoire de Dosimétrie, Capteurs et Instrumentation du CEA/IRESNE Cadarache, développe, fabrique et exploite des détecteurs de flux neutroniques qui sont utilisés à proximité immédiate ou à l’intérieur des cœurs des réacteurs nucléaires. En plus des détecteurs classiques (chambres à fissions, collectrons…), le LDCI mène des recherches actives sur des voies de mesures innovantes telles que des détecteurs optiques, semi-conducteurs, scintillateurs fibrés… Avec cette thèse, le laboratoire souhaite explorer le potentiel de verres dopés à l’Uranium. Ces verres sont connus pour produire une vive fluorescence sous différents rayonnements. L’idée maitresse est d’essayer d’exploiter cette fluorescence pour détecter les réactions de fission qui sont induites dans le verre lorsqu’il est exposé à un flux de neutrons. Cela permettrait de développer une nouvelle génération de détecteurs de neutrons par voie optique à mi-chemin entre une chambre à fission et un scintillateur.
Le travail de thèse sera articulé autour de deux grand axes :
- d’une part la compréhension fine des mécanismes de fluorescence, ainsi que la synthèse de verre à l’uranium aux propriétés optimisés pour nos besoins (sensibilité, spectre d’émission, vecteur isotopique…). La synthèse sera effectuée dans des laboratoires partenaires ;
- d’autre part le développement d’une instrumentation dédiée, probablement sous la forme de fibres optiques, pour tester ces prototypes en réacteur.
Solveur Intégrodifférentiel HPC Parallèle pour la Dynamique des Dislocations
Contexte : La compréhension du comportement des métaux à forts taux de déformation [4] (entre 104 et 108 s-1) représente un défi scientifique et technologique considérable. Cette déformation irréversible (plastique) est due à la présence de défauts linéaires d'alignement cristallin : les dislocations, qui interagissent via le champ élastique à longue portée et par interactions de contact.
Actuellement, le comportement des métaux à forts taux de déformation ne sont accessibles expérimentalement que par chocs laser. D’où la nécessité d’un outil de simulation. Deux grands types d’approches sont possibles : la dynamique moléculaire, et les simulations élastodynamiques. Cette thèse s’inscrit dans le second type d’approche, capitalisant sur nos travaux récents [1, 2] qui ont permis les premières simulations numériques de l’équation de Peierls-Nabarro Dynamique (PND) [5]. Celle-ci décrit des phénomènes intervenant à l’échelle de la dislocation.
PND est une équation intégrodifférentielle non-linéaire qui présente une double difficulté : la non-localité en temps et en espace des opérateurs. Nous l’avons simulée pour la première fois grâce à une stratégie numérique efficace [1], issue de [6]. Mais la nature mono-processeur de son implantation actuelle constitue un verrou, limitant fortement la taille du système et l’étude de son comportement en temps long.
Sujet de thèse : Les objectifs de cette thèse sont de deux natures :
- Numérique. Sur la base algorithmique développée dans [1], implémenter un solveur HPC (Calcul Haute Performance) parallélisé en espace et en temps, avec mémoire distribuée.
- Physique. Grâce au code développé, éclaircir des points cruciaux relatifs à la phénoménologie des dislocations en régime dynamique rapide. L’exploitation des résultats numériques requerra des techniques de traitement de données et de statistiques - potentiellement assistées par de l’IA.
En fonction de l’avancement, il sera possible d’appliquer la méthode numérique développée aux phénomènes de fissuration dynamique [3].
Profil du candidat : Le sujet de thèse proposé est pluridisciplinaire, à la croisée des chemins entre simulation numérique, physique des dislocations et de la propagation de fissures, et traitement statistique. Le candidat devra d’abord posséder une solide formation en calcul scientifique appliqué aux équations aux dérivées partielles et un gout prononcé pour les applications physiques. La maîtrise du C++, avec des compétences en OpenMP et MPI seraient fortement appréciées. Des connaissances en mécanique des milieux continus seraient aussi vu comme un plus.
La thèse se déroulera au Département d'Etudes des Combustibles (Institut IRESNE, CEA/DES, centre de Cadarache), avec des déplacements réguliers en région parisienne pour la collaboration avec le CEA/DAM et le CEA/DRF.
[1] Pellegrini, Josien, Shock-driven motion and self-organization of dislocations in the dynamical Peierls model, soumis.
[2] Josien, Etude mathématique et numérique de quelques modèles multi-échelles issus de la mécanique des matériaux. Thèse. (2018).
[3] Geubelle, Rice. J. of the Mech. and Phys. of Sol., 43(11), 1791-1824. (1995).
[4] Remington et coll., Metall. Mat. Trans. A 35, 2587 (2004).
[5] Pellegrini, Phys. Rev. B, 81, 2, 024101, (2010).
[6] Lubich & Schädle. SIAM J. on Sci. Comp. 24(1), 161-182. (2002).
Exploration de la dynamique de dépôt d’énergie aux temps courts d’électrons accélérés par laser dans le cadre de l’effet Flash en radiothérapie
L’objectif du projet de thèse est d’analyser les processus physico-chimiques consécutifs aux débits de dose extrêmes que l’on peut obtenir maintenant dans l’eau avec les impulsions ultra-brèves (fs) d’électrons relativistes accélérés par laser. En effet, des premières mesures montrent que ces processus ne sont probablement pas équivalents à ceux obtenus avec des impulsions plus longues (µs) dans l’effet FLASH utilisé en radiothérapie. Pour y arriver, nous proposons d’analyser la dynamique de formation/recombinaison de l’électron hydraté, espèce emblématique de la radiolyse de l’eau pour qualifier et quantifier l’effet de débit de dose sur des temps de plus en plus courts. Ceci pourra se faire en trois étapes en accompagnement de la progression technologique nécessaire et maintenant accessible, pour avoir une dose par impulsion suffisante pour détecter directement l’électron hydraté. D’abord, avec l’installation existante UHI100 en utilisant la capture de l’électron hydraté en produisant une espèce stable ; puis en produisant une espèce moins stable mais détectable en temps réel et en augmentant le taux de répétition de l’accélérateur laser-plasma. Finalement, en testant un nouveau concept appelé « cible hybride », basé sur l’utilisation d’un miroir plasma comme injecteur d’électrons couplé à un accélérateur laser-plasma. Délivrant des doses plus importantes que les accélérateurs laser-plasma, avec un spectre énergétique resserré, on pourra développer une détection pompe-sonde permettant d’accéder aux temps les plus courts, et à la formation dans les grappes d’ionisation, de l’électron hydraté et en mesurant son rendement initial.