Nouvelles stratégie pour l'optimisation de modèles thermodynamiques prédictifs

Les modèles thermodynamiques prédictifs, développés par la méthode Calphad, sont essentiels pour concevoir de nouveaux matériaux en anticipant leur comportement sans recourir à des expériences coûteuses et longues. Ces modèles permettent d'extrapoler les propriétés de matériaux complexes, de prévoir leur comportement dans des environnements extrêmes et de lier les propriétés énergétiques aux performances en service. Cependant, les méthodes actuelles de développement de ces modèles sont complexes et les incertitudes ne sont pas quantifiées avec les logiciels existants. Les scientifiques doivent encore s'appuyer sur leur expertise pour ajuster et valider ces modèles, ce qui est chronophage et peu adapté à l'ère de l'automatisation.

Pour remédier à cela, il est proposé de développer un outil numérique fiable, autonome et rapide, capable d'optimiser les modèles thermodynamiques en se basant uniquement sur des données expérimentales fournies par les utilisateurs. L'objectif est de fournir des modèles simples, fiables, validés et modulaires, permettant aux utilisateurs de prendre des décisions stratégiques en toute confiance, comme évaluer de nouvelles conditions de procédé ou optimiser la fabrication sans risquer des extrapolations incertaines. Ce projet vise à combler le fossé entre les données expérimentales spécifiques et les méthodes modernes de programmation non linéaire, en utilisant des approches d'optimisation avancées.

Etude du comportement en fatigue à très grand nombre de cycles de l’acier inoxydable martensitique 13-4 élaboré par Laser Metal Deposition : influence de la microstructure, des post-traitements et de la température

Les recherches récentes sur l’acier inoxydable martensitique 13-4 fabriqué par impression 3D métallique, notamment par le procédé Laser Metal Deposition (LMD), ont permis d’obtenir des matériaux présentant de bonnes propriétés mécaniques. Après cette phase d’optimisation, les travaux se concentrent désormais sur l’étude de leur comportement en fatigue à très grand nombre de cycles (VHCF), un critère essentiel pour les pièces soumises à des sollicitations répétées en conditions sévères.
La fatigue est l’une des principales causes de rupture des composants métalliques en service. Cette thèse vise donc à comprendre et modéliser le comportement en fatigue de l’acier 13-4 élaboré par LMD. Les travaux menés viseront à étudier l’influence de la microstructure, des traitements thermomécaniques et des conditions d’essais sur l’initiation et la propagation des fissures au cours des sollicitations mécaniques.
Les essais expérimentaux seront réalisés à l’aide de dispositifs de fatigue ultrasonique. Les mécanismes de rupture seront analysés grâce à des techniques de caractérisation multi-échelles comme l’EBSD, le MEB et le TEM. L’objectif final est de développer un modèle prédictif capable de prédire la durée de vie des composants en conditions de fonctionnement.

Caractérisation et compréhension des mécanismes de dégradation des matériaux d’encapsulation utilisés dans les modules PV en Si de nouvelle génération sous contraintes humide et UV

Les technologies photovoltaïques de nouvelle génération (TOPCon, SHJ, tandems) sont particulièrement sensibles aux stress environnementaux, notamment l’humidité (DH), les UV et les cycles de température. Ces contraintes accélèrent la dégradation des matériaux d’encapsulation (EVA, POE, TPO), entraînant une perte de performance des modules (perte de transparence, délamination, corrosion des contacts métalliques, PID – Potential Induced Degradation). Malgré leur adoption croissante, ces nouveaux encapsulants manquent de données sur leur durabilité à long terme, tandis que l’EVA, largement utilisé, montre des signes de vieillissement prématuré (dégradation après 10–15 ans). Les mécanismes de dégradation combinés (DH + UV + température) restent peu étudiés, alors qu’ils reflètent des conditions réelles d’exposition.
Cette thèse vise à identifier et comprendre les mécanismes de dégradation physico-chimiques des encapsulants polymères sous contraintes couplées, en se focalisant sur :
- L’analyse multi-échelles (structure chimique, propriétés optiques, microstructure) des matériaux au cours du vieillissement accéléré.
- Le développement d’un protocole expérimental reproduisant des conditions réelles (couplage DH/UV), pour évaluer la résistance des matériaux
- L’étude du rôle des additifs dans la dégradation des encapsulants (absorbeurs UV, anti-humidité, peroxydes)

Compréhension des évolutions microstructurales au cours des traitements thermiques pour les aimants SmCo riches en fer

Les performances magnétiques des aimants en SmCo (rémanence et coercitivité) sont liées à leur microstructure. La microstructure finale sera développée après frittage lors de traitements thermiques d’homogénéisation et de vieillissement. La température et/ou la durée optimales de ces traitements dépendent de la composition de l'aimant. L'un des axes de développement majeurs pour les aimants commerciaux Sm2Co17 consiste à obtenir à la fois des performances magnétiques élevées et une réduction des matières critiques (le cobalt notamment). Ceci est réalisé par substitution d’une partie de Co avec du Fe, ce qui permet également de réduire les couts des matières premières. Cependant, la littérature montre que lorsque la teneur en Fe dépasse 20 % en poids, la coercitivité des aimants est détériorée.
L’objectif de la thèse sera de comprendre le rôle et la sensibilité des paramètres du procédé qui pilotent l’évolution de la microstructure au sein d’aimants Sm2Co17 riches en Fe et des propriétés qui en découlent. Ces évolutions seront suivies par différentes caractérisations (analyses chimiques, mesures magnétiques, observations MEB et MET, …) effectuées sur des échantillons prélevés lors des différentes étapes du procédé. L’objectif est de suivre de façon systématique (et pour la première fois sur ce type d’aimants) les transformations structurales (ségrégations chimiques, évolution de la teneur en Sm, présence de défauts, contamination en oxygène, etc…) intervenant, depuis la synthèse de l’alliage jusqu’à l’aimant final. Ces caractérisations doivent permettre d’aboutir à une description des mécanismes de formation de la microstructure attendue. Ces mécanismes sont activés lors des différents traitements thermiques mais l’influence de l’état métallurgique et chimique (par exemple la densité de défauts et l’inhomogénéité chimique) hérité des étapes précédentes du procédé est encore mal connu et devra être précisé.

Mise à l’échelle des jumeaux numériques de réseau par une gestion adaptative de la fidélité

Les futurs systèmes de communication, tels que les réseaux 6G, évoluent vers des infrastructures hautement distribuées, autonomes et hétérogènes, intégrant des architectures de continuum cloud-edge, l’Open RAN (O-RAN), des déploiements massifs d’objets connectés (IoT), l’informatique en périphérie (edge computing) et des environnements radio particulièrement dynamiques.

Ces systèmes devront prendre en charge des services exigeants tels que les communications critiques, l’automatisation industrielle, la mobilité autonome et les applications immersives, tout en fonctionnant dans des conditions caractérisées par un trafic fortement variable, des changements fréquents de topologie, une disponibilité fluctuante des ressources ainsi que des exigences strictes en matière de latence et de fiabilité.

La gestion de tels systèmes, notamment pour réaliser des opérations de configuration, d’optimisation et d’évolution sans risque, devient de plus en plus complexe. Cette difficulté est particulièrement marquée lorsqu’il s’agit d’effectuer une optimisation du réseau en temps réel, des analyses prospectives (« what-if »), du diagnostic de pannes ou encore de planifier des mises à niveau et des extensions du réseau.

Afin de répondre à ces défis, plusieurs initiatives de recherche récentes se sont intéressées à l’application du paradigme des jumeaux numériques aux réseaux de communication, donnant naissance au concept de "Network Digital Twins (NDTs)" ou "jumeaux numériques de réseau".

Un jumeau numérique de réseau est une représentation virtuelle d’un réseau de communication qui reste suffisamment synchronisée avec l’infrastructure physique pour reproduire son état opérationnel et son comportement, permettre des analyses prédictives et évaluer des scénarios hypothétiques avant l’application de décisions au système réel.

Cependant, maintenir un NDT précis et temporellement cohérent dans des réseaux de grande échelle et fortement dynamiques demeure un défi majeur.

Les NDT actuels reposent principalement sur des mécanismes explicites de synchronisation afin de préserver la fidélité entre les systèmes physique et virtuel. Bien que des travaux récents aient introduit des mécanismes de prédiction assistés par l’intelligence artificielle pour réduire la surcharge liée à cette synchronisation, ces approches ne résolvent pas entièrement le problème de l’adaptation dynamique de la fidélité du NDT en fonction de l’incertitude des prédictions, de la valeur de l’information, de la dynamique du réseau et des exigences opérationnelles.

La fidélité adaptative peut être interprétée comme un mécanisme de représentation multi-résolution, dans lequel le jumeau numérique ajuste dynamiquement sa granularité d’observation, son coût de synchronisation et sa précision de reconstruction en fonction de la valeur de l’information, de l’incertitude prédictive, de la dynamique du réseau et des ressources disponibles.

L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, développer et valider un cadre de gestion adaptative de la fidélité (Adaptive Fidelity Management) permettant la mise en œuvre de jumeaux numériques de réseau évolutifs, efficaces en ressources et adaptés aux futurs systèmes de communication.

Croissance de FAPbBr3 par CSS pour la détection des rayons X

Les pérovskites halogénées au plomb, et notamment les matériaux hybrides organiques-inorganiques à base de formamidinium possèdent des propriétés opto-électroniques exceptionnelles qui ont été intensivement exploitées pour les applications PV. Dans cette famille de matériaux, le FAPbBr3 est également particulièrement prometteurs pour la détection des rayons X pour les applications médicales. Mais cette technologie nécessite de savoir déposer des couches épaisses (>100 µm) sur de grandes surfaces. Le CEA-LITEN a développé pour les pérovskites inorganiques une approche innovante de dépôt par sublimation en espace proche (CSS) répondant à ces critères. Très récemment, il a été montré qu’il était possible de déposer également le FAPbBr3 par cette méthode, une première mondiale.
Mais les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et des pérovskites hybrides par CSS sont largement incompris, et les possibilités offertes par cette méthode de dépôt entièrement à explorer. Par ailleurs, ces résultats sont également extrêmement prometteurs pour les applications PV car une même croissance est attendue en substituant le Br pour former du FAPbI3.
Cette thèse vise à (i) déterminer et optimiser les conditions de croissance par CSS pour les couches de FAPbBr3, (ii) comprendre par des caractérisations avancées (in-situ et ex-situ) les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et (iii) optimiser les dispositifs pour la détection des rayons X. L’extension de ces travaux au FAPbI3 pour les applications PV est également attendue. La nouveauté de cette approche et la possibilité d’adresser plusieurs applications offre des perspectives de publications et brevets.

Optimisation statistique de la calibration des modèles de lithographie

Cette thèse offre l'opportunité de développer des méthodes statistiques pour optimiser et calibrer les modèles de lithographie utilisés pour générer des conceptions optimales de photomasques au moyen de la correction optique de proximité (OPC).
Les dispositifs microélectroniques à haute densité de circuits sont très demandés et font l'objet de recherches et d'études approfondies par les industries. Une façon d'obtenir une densité de circuit plus élevée consiste à diminuer la dimension ou le pas du motif. Cependant, à mesure que la dimension du motif diminue, le défi de fabrication augmente. Une technique d'amélioration de la résolution (RET) telle que l'OPC doit donc être utilisée pour générer un photomasque de tels circuits.
OPC vise à améliorer la fidélité du motif de plaquette en compensant les erreurs dues aux effets optiques ou de processus lors des étapes de fabrication. Pour mettre en œuvre cette correction, un modèle de lithographie doit être généré en tenant compte du système d'exposition et des caractéristiques de la photorésiste. Ces modèles sont calibrés à l'aide d'un très grand volume de données expérimentales qui incluent des mesures CD-SEM et des contours extraits d'images SEM. L'acquisition des données et le post-traitement des images constituent un goulot d'étranglement dans le flux d'étalonnage des modèles, consommant énormément de temps et de ressources.
Durant la période de thèse, les travaux seront axés sur :
Modèles de test innovants pour optimiser les données d'entrée pour l'étalonnage du modèle
Optimisation statistique et algorithmique du flux de calibrage du modèle
Impact de la variabilité des données expérimentales sur les modèles de lithographie

Composant photonique d'extraction par couplage évanescent pour l'interaction optique guidée/optique espace libre

L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle classe de dispositifs optiques destinés à assurer l'interface entre les circuits photoniques intégrés (PIC, Photonic Integrated Circuits) et l'optique en espace libre. Ces dispositifs ont été étudiés dans le cadre d'un travail fondateur réalisé lors d'une précédente thèse. Ils reposent sur l'utilisation d'une structure prismatique obtenue par nano-impression et fixée à la surface d'un PIC. Grâce au couplage évanescent et aux réflexions au sein de cette structure, les ondes guidées peuvent être transférées du PIC vers un système optique externe. L'utilisation de matériaux électro-optiques pourrait permettre à cet extracteur de proposer des applications intéressantes en tant qu'extracteur commutable.
Le ou la doctorant(e) approfondira la théorie du dispositif afin d'en améliorer les performances. Il ou elle mènera des expériences portant sur l’intégration (packaging), l'holographie et la caractérisation des PIC. Son objectif sera de fabriquer une large gamme de dispositifs prototypes destinés à être testés. Une attention particulière sera portée à l'évaluation du comportement des dispositifs fabriqués sur une large plage spectrale, allant du visible à l'infrarouge proche.
Le ou la doctorant(e) utilisera un logiciel de simulation FDTD (Finite-Difference Time-Domain) afin d'évaluer les caractéristiques de propagation de l'onde lors de sa transition d'un milieu confiné vers l'espace libre. Il ou elle définira les structures prismatiques optimales qui seront reproduites par nano-impression. Il ou elle intégrera ces structures polymères sur des échantillons de PIC au moyen de protocoles délicats de transfert et de collage en salle blanche. Il ou elle enregistrera des éléments optiques micro-holographiques à l'aide de lasers afin d'améliorer les capacités angulaires du dispositif final. Une grande partie de la thèse sera consacrée à la mise en œuvre et à l'utilisation de bancs expérimentaux optiques.

Développement de µLED rouges et RGB pour les microécans et la communication rapide

Contexte : Les microLED (µLED) constituent une technologie prometteuse pour la réalisation de mini-écrans à forte brillance (lunettes de réalité augmentée ou les montres connectées). D’une taille inférieure à 20 µm, ces µLED sont obtenues par gravure d’une structure planaire sur saphir intégrant des puits quantiques InxGa1-xN. La longueur d’onde émise est directement pilotée par la teneur x en indium des puits quantiques (x˜15 % pour le bleu, 25 % pour le vert, 35–40 % pour le rouge). Si les nitrures offrent d’excellentes performances dans le bleu, l’efficacité chute fortement lorsque la taille des µLED diminue. Pour lever ce verrou, une approche innovante repose sur la réalisation de microfils en géométrie cœur/coquille. Cette architecture permet de préserver l’efficacité d’émission quelle que soit la taille et de pouvoir communiquer des données au GHz (technologie développée au sein de la start-up grenobloise Aledia). Malgré leur fort potentiel, les LED à microfils cœur/coquille se heurtent encore à un enjeu scientifique majeur: l’obtention d’émission rouge. L’incorporation d’indium reste limitée à 25 %, seuil insuffisant pour atteindre le rouge. Ce verrou technologique freine aujourd’hui l’émergence de µLED trichromatiques RGB. Notre équipe a démontré des résultats pionniers dans de domaine, où nous avons réalisé les 1er puits quantiques InGaN cœur/coquille à 15 % pour une émission bleue et à 25% pour une émission verte. Malgré ces avancées, le défi reste entier pour réaliser une émission rouge.

Objectifs : Une nouvelle idée a émergé pour aller au-delà des 25% pour la technologie microfil cœur-coquille et ainsi viser l’émission rouge, ce qui a donné lieu à un dépôt d’un brevet en 2025. Des résultats préliminaires se sont révélés très prometteurs et nous souhaitons poursuivre ce travail à travers une thèse avec un trible objectif :
- Démontrer l’émission rouge en variant les paramètres géométriques des microfils (diamètre…)
- Réaliser des µLED le rouge
- Réaliser des µLED trichromique RGB en un seul run de croissance

Collaborations: Ce projet s’appuie sur une étroite collaboration avec le LTM (Laboratoire de la Technologie de la Microélectronique) pour la réalisation de réseaux de microfils GaN par garvure. Les études d’épitaxie de LED cœur/coquille seront menées au CEA à PHELIQS grâce au bâti d’épitaxie MOCVD en intégrant des analyses structurales/optiques. La dernière étape vise à réaliser les dispositifs LED à microfils grâce au savoir-faire développé à l’Institut Néel via la salle blanche NanoFab.

Pourquoi rejoindre ce projet ? Acquérir une expertise en épitaxie, en physique des semiconducteurs et en optoélectronique. Travailler dans un environnement dynamique et collaboratif, étroitement lié au monde de l'industrie. Contribuer au développement des prochaines générations de µLED destinées aux micro-écrans et aux communications GHz.

Financement : Sujet de thèse financée par le Labex « µelectronics » de l’UGA.

Caractérisation des propriétés physico-chimiques de résidus solides issus de carbonisation hydrothermale de biomasses

La carbonisation hydrothermale (HTC pour Hydrothermal Carbonisation) est un procédé de conversion thermochimique mené en milieu aqueux entre 180 et 260°C, à une pression de 2 à 6 MPa. Le produit principal issu de la biomasse est un résidu solide carboné (appelé hydrochar). Les applications envisagées pour l’hydrochar sont variées : combustion, gazéification, adsorption, catalyse, amendement des sols, carbone dur pour accumulateurs Na-ion, …, chacune nécessitant des propriétés spécifiques.
L’objectif de la thèse est de caractériser et mieux comprendre l’origine de différentes propriétés physico-chimiques des résidus carbonés issus de l’HTC de biomasses. L’attention sera portée en particulier à l’hydrophobicité et aux capacités de séchage, aux caractéristiques physiques et texturales des particules obtenues (porosité, granulométrie, surface spécifique) ainsi qu’aux caractéristiques chimiques (composition). L’influence du type de biomasse et des conditions de l’HTC sur ces propriétés sera évaluée.
La démarche s’appuiera sur : des expérimentations HTC en réacteurs batch sur différentes biomasses préalablement sélectionnées, ainsi que la mise en œuvre de différentes techniques de caractérisation des hydrochars ; une analyse des résultats visant à déterminer des corrélations entre les caractéristiques, en élucidant les liens entre la ressource et les propriétés de l’hydrochar en fonction des conditions opératoires.