Croissance et caractérisation de l’AlScN : un nouveau matériau prometteur pour les dispositifs piézoélectriques et ferroélectriques
Les semi-conducteurs III-nitrures — GaN, AlN et InN — ont révolutionné le marché de l’éclairage et pénètrent rapidement le secteur de l’électronique de puissance. Actuellement, de nouveaux composés nitrures sont explorés dans la recherche de nouvelles fonctionnalités. Dans ce contexte, le nitrure d’aluminium et de scandium (AlScN) s’est imposé comme un nouveau membre particulièrement prometteur de la famille des nitrures. L’incorporation de scandium dans l’AlN conduit à :
* Des constantes piézoélectriques accrues : ce qui rend l’AlScN très attractif pour la fabrication de générateurs piézoélectriques et de filtres SAW/BAW à haute fréquence.
* Une polarisation spontanée augmentée : cette polarisation renforcée peut être exploitée dans la conception de transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) présentant une densité de charge très élevée dans le canal.
* La ferroélectricité : la découverte récente (2019) de propriétés ferroélectriques ouvre la voie au développement de nouvelles mémoires non volatiles.
Au cours des cinq dernières années, l’AlScN est devenu un sujet majeur de recherche, présentant de nombreuses questions ouvertes et de passionnantes perspectives à explorer.
Cette thèse de doctorat portera sur l’étude de la croissance et des propriétés de l’AlScN et du GaScN synthétisés par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Le doctorant sera formé à l’utilisation d’un système MBE pour la synthèse des semi-conducteurs III-nitrures ainsi qu’à la caractérisation structurale des matériaux par microscopie à force atomique (AFM) et diffraction des rayons X (XRD). La variation des propriétés de polarisation du matériau sera étudiée par l’analyse de la photoluminescence de structures à puits quantiques. Enfin, le doctorant sera formé à l’utilisation de logiciels de simulation pour modéliser la structure électronique des échantillons, afin de faciliter l’interprétation des résultats optiques.
Excitations électroniques dans des nano-objets unidimensionels : description ab initio et connection avec l’intrication quantique
La compréhension des propriétés électroniques des électrons de valence dans les nano-objets est à la fois d’un intérêt fondamental et essentiel pour la conception de nouveaux dispositifs optoélectroniques. Dans ces systèmes, le confinement des électrons en basse dimensionnalité leur confère des propriétés exceptionnelles.
Ces propriétés sont liées aux caractéristiques fondamentales de la matière et aux fluctuations quantiques associées. Récemment, l’intrication quantique et l’information quantique de Fisher ont été directement mises en relation avec des propriétés spectroscopiques. Part ailleurs, ces propriétés spectroscopiques sont accessibles par des expériences, telles que l’absorption, la photoémission et la diffusion inélastique des rayons X.
Récemment, nous avons montré que le formalisme largement utilisé pour étudier les nano-objets isolés n’était pas adapté, et que les propriétés optiques qui en avaient été déduites en étaient affectées. Nous avons mis en évidence, théoriquement et expérimentalement, que dans les objets bidimensionnels la réponse optique contenait, en plus de la contribution transverse, une résonance de type plasmon, correspondant à une réponse longitudinale. Le rôle de l’interface s’est révélé déterminant. Le projet que nous proposons cette année consiste à reconsidérer les propriétés optiques des objets unidimensionnels.
Une fois la méthodologie établie pour décrire la fonction diélectrique macroscopique en 1D, nous explorerons ses liens avec l’intrication quantique et l’information quantique de Fisher, qui n’ont encore jamais été évaluées pour des systèmes à basse dimensionnalité.
Simulations atomistiques des propriétés thermophysiques du combustible nucléaire métallique UMo
Les alliages d’uranium-molybdène UMo présentent d’excellentes propriétés thermiques et une densité en uranium supérieure à celle de combustibles céramiques tel que l’UO2. C’est notamment pour ces propriétés que l’UMo monolithique est considéré comme un combustible candidat 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 physico-chimiques de l’UMo en conditions d’irradiation.
Au cours de cette thèse, vous appliquerez des méthodes de calcul à l’échelle des atomes afin d’étudier les propriétés thermophysiques et thermomécaniques, ainsi que la stabilité d’amas de Xe, au sein de monocristaux d’UMo. La première étape de vos travaux consistera à poursuivre le développement de modèles de calcul à l’échelle atomique pour l’UMo entrepris au sein du laboratoire d’accueil. Ces modèles font appel à des méthodes de « machine-learning » pour le développement de potentiels interatomiques, et devront être validés par comparaison aux données expérimentales existantes pour ce matériau. Ils seront ensuite utilisés pour évaluer l’évolution en température et en fonction de l’accumulation de défauts (ponctuels et étendus) de plusieurs propriétés thermophysiques cruciales à la modélisation combustible, telles que les propriétés élastiques, la densité et l’expansion thermique, pour des propriétés thermiques telles que la chaleur spécifique et la conductivité thermique. En collaboration avec d’autres chercheurs du département, vous mettrez en forme ces résultats afin de les intégrer dans les Outils de Calcul Scientifique utilisés pour simuler le comportement des combustibles nucléaires.
Dans un second temps, vous serez en charge d’étendre la validité de vos modèles à la prise en compte de la formation de gaz de fission de type xénon en sein de monocristaux d’UMo. Vous pourrez ainsi simuler la stabilité d’amas de xénon au sein de cristaux d’UMo. Ces calculs, effectués à l’aide de méthodes de dynamique moléculaire classique, seront systématiquement comparés à des observations expérimentales obtenues par microscopie électronique à transmission.
Les résultats obtenus lors des différentes étapes de ce projet seront particulièrement innovants, et feront l’objet de publications scientifiques, ainsi que de présentations dans des conférences scientifiques internationales. 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, 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 de Recherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d’Energie bas carbone, IRESNE, CEA Cadarache), une équipe de recherche dynamique où vous pourrez échanger régulièrement avec les autres doctorants et chercheurs du laboratoire. Cet environnement offre de plus de nombreuses opportunités de collaborations nationales et internationales, notamment avec :
• les développeurs et utilisateurs du code de performance combustible MAIA (dédié à l’étude des combustibles pour réacteurs de recherche),
• des chercheurs expérimentateurs du département d’étude des combustibles nucléaires,
• des équipes d’autres centres du CEA (Saclay, CEA/DAM),
• ainsi que des partenaires internationaux.
Ce contexte riche et pluridisciplinaire vous permettra de vous intégrer pleinement à la communauté scientifique dédiée aux matériaux pour les sciences du nucléaire.
[1] Dubois, E. T., Tranchida, J., Bouchet, J., & Maillet, J. B. (2024). Atomistic simulations of nuclear fuel UO2 with machine learning interatomic potentials. Physical Review Materials, 8(2), 025402.
[2] Chaney, D., Castellano, A., Bosak, A., Bouchet, J., Bottin, F., Dorado, B., ... & Lander, G. H. (2021). Tuneable correlated disorder in alloys. Physical Review Materials, 5(3), 035004.
FRITTAGE EN PHASE LIQUIDE TRANSITOIRE DE PASTILLES DE COMBUSTIBLES UOX ET MOX
Le sujet est en rapport avec la fabrication des combustibles UOX et MOX. Le principal objectif est d'identifier des couples de dopants permettant de former une phase liquide transitoire lors de l'étape de frittage des combustibles. Pour cela des calculs de diagrammes de phases par la méthode CALPHAD devront être réalisés, en prenant également en compte les impératifs liés à la phase d'irradiation une fois le combustible chargé en réacteur. Les couples les plus prometteurs seront ensuite évalués dans le cadre de la fabrication d'un combustible UOX et d'un combustible MOX. Les expériences à réaliser seront essentiellement: la préparation d'une matière pulvérulente, la mise en forme par pressage de cette matière sous la forme de cylindres représentatifs de pastilles de combustibles et l'étude du frittage à haute température de ces cylindres de formulation UOX et MOX. Après frittage, une étape très importante sera la caractérisation à l'échelle macroscopique et microscopique de ces pastilles. La première année de la thèse se déroulera sur le centre CEA de Cadarache au sein de l'ICPE Laboratoire des Combustibles Uranium. Les deux suivantes se dérouleront au sein de l'INB Atalante sur le site CEA de Marcoule. Le candidat travaillera au sein de deux installations uniques en Europe et pourra développer une expérience sur le travail en milieu nucléaire avec une approche très novatrices qui permettra la publication de résultats scientifiques originaux.
Cartographie des potentiels de surface des oxydes métalliques activées catalytiquement utilisés comme des photoanodes
Lors de la photoélectrolyse d’eau, le transfert de charges à l'interface photoanode/électrolyte est déterminé par l'alignement des bandes d'énergie, à la fois côté électrode et côté électrolyte. Le potentiel de surface de l’électrode joue un rôle majeur sur la courbure finale des bandes et par conséquent sur la séparation des charges à l’interface. Aussi appelé potentiel de surface électrochimique, il varie en fonction de l'environnement (vide, air, eau, etc.). L'objectif de cette thèse est d'aborder la réaction d’oxydation de l’eau (OER) à l'interface photoanode/électrolyte en termes de bandes d'énergie et en particulier du point de vue du potentiel de surface électrochimique. Ainsi, au cours de cette thèse, le doctorant caractérisera les potentiels de surface d'une série de photoanodes (oxydes métallique semiconducteurs activées catalytiquement) en contact avec différents environnements (vide, air à humidité variable, eau) et les corrélera à l'activité photoélectrochimique (PEC). L'activité du doctorant s'articulera autour de quatre axes : i) synthèse de photoanodes par voie chimique ; ii) caractérisation de l'activité photoélectrochimique ; iii) caractérisation par microscopie à force atomique (AFM) corrélée à la microscopie à force de Kelvin (KPFM) ; iv) spectromicroscopies de rayons X synchrotron (STXM, XPEEM) et photoémission à pression ambiante (NAP-XPS). L'étudiant sera accueilli au laboratoire SPEC du CEA-Saclay pendant toute la durée de sa thèse. Ses travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration de longue date entre SPEC et SOLEIL.
Stimulation magnéto-mécanique pour la destruction sélective de cellules cancéreuses de pancréas tout en épargnant les cellules saines.
Une nouvelle approche pour détruire les cellules cancéreuses est développée en collaboration entre le laboratoire de biologie BIOMICS et le laboratoire de magnétisme SPINTEC, tous deux au sein de l’IRIG. Cette méthode utilise des particules magnétiques dispersées parmi les cellules cancéreuses, mises en vibration à basse fréquence (1-20 Hz) par un champ magnétique rotatif. Ces vibrations induisent un stress mécanique sur les cellules, déclenchant leur mort (apoptose) de manière contrôlée.
L’effet a été démontré in vitro sur divers types de cellules cancéreuses (gliome, pancréas, rein) en culture 2D, ainsi que sur des sphéroïdes 3D (tumoroïdes) de cellules cancéreuses pancréatiques et des organoïdes de cellules saines. Les modèles 3D, plus proches des tissus biologiques réels, facilitent la transition vers des études in vivo et réduisent le recours aux modèles animaux. Les premiers résultats montrent que les cellules cancéreuses pancréatiques ont une plus grande affinité pour les particules magnétiques et sont plus sensibles au stress mécanique que les cellules saines, permettant une destruction sélective.
La prochaine étape consistera à confirmer cette spécificité dans des sphéroïdes mixtes (cellules cancéreuses et saines), à quantifier statistiquement ces résultats, et à élucider les mécanismes mécanobiologiques responsables de la mort cellulaire. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à une approche biomédicale innovante contre les cancers.
Étude de l’interaction matière-lumière structurée : role des moments angulaires de la lumière et de la chiralité locale en régime attoseconde
Les progrès récents de l’optique ultra-rapide et la maîtrise d’interactions lumière-matière extrêmement non linéaires permettent aujourd’hui de générer des impulsions lumineuses attosecondes (1 as = 10?¹8 s) via la génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE). Ce processus convertit une impulsion laser femtoseconde en un rayonnement cohérent et ultrabref dans l’extrême ultraviolet (XUV, 10–150 eV). Ces sources uniques permettent d’accéder aux dynamiques électroniques à des échelles sub-femtosecondes et de sonder des transitions spécifiques à chaque élément, auparavant accessibles uniquement sur des installations comme les synchrotrons. Le groupe Attophysique du LIDYL, pionnier dans la génération, la caractérisation et l’utilisation d’impulsions attosecondes, a récemment développé des sources pilotées par des faisceaux portant un moment angulaire de spin (MAS) ou orbital (MAO), ouvrant la voie à l’étude de dynamiques chirales et magnétiques. En combinant ces avancées, cette thèse vise à synthétiser des champs lumineux dont la chiralité varie dans le temps et l’espace, en exploitant notamment la composante longitudinale du champ électrique. Trois régimes seront étudiés : linéaire (pompe-sonde XUV/IR), fortement non linéaire (champs structurés visibles-IR dans des milieux chiraux) et faiblement non linéaire (pompe IR/sonde XUV). Ces travaux ouvriront une nouvelle classe d’expériences en physique attoseconde, combinant exploration fondamentale et applications émergentes.
L’étudiant(e) acquerra une pratique de l’optique des lasers, en particulier femtoseconde, et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il (elle) étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmonique élevées. Il/elle deviendra un(e) experte de la physique attoseconde. L’acquisition de techniques d’analyse approfondie, d’interfaçage d’expérience seront encouragées même si non indispensables.
Pour plus de détails: https://iramis.cea.fr/lidyl/pisp/150720-2/
Développement de biocapteurs interférométriques photo-imprimés sur fibres optiques multicoeurs pour le diagnostic moléculaire
Les fibres optiques sont des dispositifs peu invasifs couramment utilisés en médecine pour l'imagerie tissulaire in vivo par endoscopie. Cependant, à l'heure actuelle, elles ne fournissent que des images et aucune information moléculaire sur les tissus observés. La thèse proposée s'inscrit dans un projet visant à conférer aux fibres optiques la capacité d'effectuer des reconnaissances moléculaires afin de développer des biocapteurs innovants capables d'effectuer une analyse moléculaire en temps réel, à distance, in situ et multiplexée. Un tel outil pourrait apporter des progrès importants dans le domaine médical, et plus particulièrement dans l'étude des pathologies cérébrales pour lesquelles la connaissance de l'environnement tumoral, difficilement accessible par des biopsies classiques, est primordiale.
L'approche proposée repose sur l'impression par polymérisation à 2-photons de structures interférométriques à l'extrémité de chacun des cœurs d'un assemblage multifibre. Le principe de détection repose sur les interférences se produisant dans ces structures et leur modification par l'adsorption de molécules biologiques. Chacune des fibres de l’assemblage agira comme un capteur individuel et la mesure de l'intensité de la lumière rétro-réfléchie à l'extrémité fonctionnalisée permettra de rendre compte des interactions biologiques se produisant sur cette surface. Grâce à la modélisation du phénomène d’interférence, nous avons déterminé des paramètres pour optimiser la forme et la sensibilité des structures interférométriques (PTC InSiBio 2024-2025). Ces résultats ont permis l'impression et la caractérisation de la sensibilité de structures interférométriques sur mono-fibres. Les objectifs de la thèse sont de poursuivre cette caractérisation optique sur de nouveaux échantillons et de développer des méthodes de fonctionnalisation photo-chimiques originales afin de greffer plusieurs sondes biologiques à la surface des assemblages de fibres. Cette multi-fonctionnalisation permettra de réaliser une détection multiplexée, essentielle pour envisager une application médicale future. Selon l'avancement de la thèse, les biocapteurs seront validés au travers de la détection de cibles biologiques dans des milieux de plus en plus complexes pouvant aller jusqu'à un modèle de tissu cérébral.
Mobilité des dislocations dans les alliages à haute entropie cubiques centrés
Les alliages à haute entropie sont des solutions solides monophasées multi-composants, tous présents en forte concentration. Cette classe de matériaux présente des améliorations significatives en termes de propriétés mécaniques par rapport aux alliages "classiques", et en particulier leur résistance élevée à haute température. Il est communément admis que les bonnes performances mécaniques proviennent des interactions des dislocations avec les éléments d'alliage, et qu’à haute température les impuretés ou dopants de nature interstitielle, comme l’oxygène, le carbone ou l’azote, jouent un rôle prépondérant. L’étude de la plasticité des alliages concentrés de structure cristalline cubique centrée dans le domaine des hautes températures constitue donc l’objectif de cette thèse. Les enjeux technologiques associés sont importants, ces alliages étant des matériaux de structure prometteurs, notamment pour les applications nucléaires où des températures de fonctionnement au-delà de l’ambiante sont visées.
Cette thèse s’attachera à comprendre et modéliser les mécanismes physiques contrôlant la tenue mécanique de ces alliages à haute température, en considérant différents alliages concentrés de complexité croissante, et en s’appuyant sur des outils de simulations atomiques, en particulier des codes de structure électronique ab initio. Nous nous focaliserons d’abord sur l’alliage binaire MoNb avant d’étendre aux alliages ternaires MoNbTi et MoNbTa, et d’étudier l’impact des impuretés d’oxygène sur le comportement plastique de ces alliages. Nous modéliserons les coeurs de dislocation et analyserons leur interaction avec les éléments substitutionnels et interstitiels afin de déterminer les barrières d’énergie contrôlant leur mobilité. Sur la base de ces résultats ab initio, nous développerons des modèles de durcissement permettant notamment de prédire la limite élastique en fonction de la température et de la composition de l’alliage.
Ce travail s’effectuera dans le cadre du projet DisMecHTRA financé par l’Agence Nationale de la Recherche, ce qui permettra en particulier de confronter nos modèles de durcissement aux données issues des expériences prévues dans le projet (essais mécaniques et microscopie électronique à transmission) et qui seront réalisées par les autres partenaires (CNRS Toulouse et Thiais). La thèse, hébergée au CEA Saclay, sera co-encadrée par une équipe du CEA Saclay et de MatéIS (CNRS, Lyon).
Etude de nouveaux concepts d’extracteurs liquide-liquide miniaturisables et parallélisables
Dans le processus de développement de procédés, leur miniaturisation représente un fort enjeu pour la RetD en amont.
En effet, la miniaturisation des procédés présente de nombreux avantages, en termes de réduction des volumes de matières premières, de gestion des déchets, possibilités de criblage, automatisation et de sécurité pour le personnel.
A ce jour, le procédé d’extraction liquide-liquide à contre-courant n’a pas de solution convaincante de miniaturisation alors que les applications sont nombreuses : en pharmacie, synthèse chimique, nucléaire ou médecine nucléaire.
Le CEA-ISEC à Marcoule a développé de nouveaux outils microfluidiques pour réaliser ces opérations de façon simple et opérationnelle en se basant sur la compréhension fine des instabilités des écoulements diphasiques dans des capillaires.
Ce sujet d’étude sur 3 ans propose :
- D’expérimenter, comprendre et modéliser finement les écoulements et transferts de masse
- D’optimiser puis transposer les phénomènes à des volumes industriellement impactants
- Publier et participer à des congrès internationaux
Le doctorant bénéficiera d’un apprentissage du monde de la recherche dans une équipe valorisant la qualité dans l’encadrement et le devenir de ses doctorants, dans une équipe pluridisciplinaire allant du génie des procédés à l’instrumentation et avec des projets allant de la recherche à l’industrie.
Des compétences générales en génie chimique et transfert de masse sont requises. Des compétences de collaboration avec nos partenaires académiques seront essentielles à la réussite du projet d’étude.