Modélisation multiéchelle de la réponse magnétique de matériaux hétérogènes
La dépendance spectrale de la perméabilité des matériaux magnétiques, que ce soit dans les matériaux composites ou massifs, reste un sujet complexe, en raison des différentes échelles des phénomènes impliqués. Des modèles analytiques approximatifs sont souvent utilisés pour décrire la réponse en fréquence des matériaux magnétiques, notamment pour améliorer leurs performances dans des domaines comme l’électronique de puissance. Des résultats récents ont montré que des codes de micro-magnétisme permettent maintenant de prédire la réponse d’un ensemble de nanoparticules couplées, ou d’une particule d’un volume représentatif des matériaux en question. Cette thèse vise à utiliser ces outils pour améliorer les modèles analytiques existants. Une inclusion baignant dans un champ effectif sera le paradigme à partir duquel la structure en domaine et la réponse spectrale de la particule seront calculées en utilisant un code de micro-magnétisme. Les matériaux étudiés incluent des particules sphériques ou à fort rapport de forme (oxydes magnétiques, pétales ferromagnétiques) à concentration variable, allant des milieux dilués aux matériaux massifs. Des pistes seront ainsi dégagées pour optimiser la microstructure des matériaux, en vue de meilleures performances dans des applications comme l’électronique de puissance et les composants hyperfréquences. A cet effet, le CEA offre un environnement de calcul scientifique avec des ressources HPC, ainsi que des capacités pour l’élaboration d'échantillons et les caractérisations magnétiques statiques et dynamiques. A l’issue de ce travail, le candidat aura acquis une très bonne maîtrise des relations microstructure-propriétés décrites par une approche numérique appliquées aux matériaux magnétiques. Plus généralement, cette démarche est en pleine expansion dans le domaine des matériaux ("materials par design", ou conception numérique des matériaux).
Développement et étude d'un matériau composite laminé intégrant des nanoTubes de carbone pour application en réservoirs cryogéniques
L'utilisation de matériaux composites dans le domaine spatial a conduit à de grandes améliorations de poids. Pour continuer à réaliser un gain de poids significatif, le réservoir cryogénique composite est la prochaine application technologique à atteindre en remplaçant les réservoirs d'ergols cryogéniques en alliage métallique actuels. Les matériaux composites à matrice organique renforcée plus légers (au moins aussi performants d'un point de vue mécanique, thermique, chimique et de résistance à l'inflammation) sont une cible réaliste à atteindre qui a été explorée ces dernières années. De nombreuses approches de recherche tendent à répondre à ce verrou technologique, mais les potentialités des nanotubes de carbone (NTC) en termes de propriétés mécaniques et physiques, doivent être explorées plus en profondeur.
Une première phase d'évaluation de l'intérêt des NTC pour les applications spatiales (collaboration CNES/CEA/I2M/CMP Composite) a été menée afin d'associer des NTC à une matrice cyanate-ester dans des matériaux composites stratifié suivant trois procédés et protocoles de développement de composites stratifiés : (i) le transfert de mats de NTC alignés par pressage à chaud, (ii) la dispersion de NTC enchevêtrés mélangés à de la résine, ou (iii) la croissance de nanotubes alignés directement sur le pli sec. Connaissant les sollicitations mécaniques et thermiques, l'objectif est de démontrer l'efficacité des NTC et l'influence de leurs caractéristiques sur la tolérance aux dommages du matériau apportée par la fonctionnalisation des NTC et consiste à retarder le processus de fissuration du composite à proximité de la couche de NTC et ainsi à bloquer la percolation du réseau de fissuration qui conduit à la perte d'étanchéité. Pour le procédé de développement privilégié identifié, l'objectif de ce travail doctoral est désormais de consolider la fonctionnalisation du matériau par des NTC (forme, densité, etc.) et la compréhension du comportement mécanique (à température ambiante et à basse température) pour le développement du matériau feuilleté intégrant des NTC.
Connaissant l'application finale potentielle comme réservoir cryogénique ou pour l'amélioration de la durabilité des matériaux structuraux dans une double application, des essais pertinents seront réalisés pour démontrer l'impact en termes de développement de dommages et d'étanchéité par rapport au même matériau sans NTC.
Etude des propriétés thermomécaniques des écoulements d'hydrogène solide
Le Département des Systèmes Basses Températures (DSBT) de l’IRIG développe plusieurs thématiques de recherche autour de l’hydrogène solide cryogéniques et ses isotopes. Les applications de cette recherche vont de la production de cibles d’hydrogène solide micrométriques renouvelables pour la génération de protons de forte énergie pour l'accélération laser-plasma, à la formation et l’injection de glaçons d’hydrogène de taille millimétrique ou centimétrique pour l’alimentation et le contrôle du plasma dans les réacteurs de fusion par confinement magnétique ou inertiel. Une problématique transverse à ces applications réside dans la connaissance fine des propriétés mécaniques de l'hydrogène solide, que cela soit pour mieux comprendre la physique d’extrusion et de production des cibles ou celle de la formation et de l’accélération des glaçons pour leur injection dans les plasmas de fusion.
Le sujet de cette thèse se focalise sur l’étude de l’extrusion de l’hydrogène solide sous pression. Sur cette technologie, le DSBT développe depuis plus de 10 ans plusieurs cryostats permettant la production de ruban d’hydrogène solide, dont la taille varie de quelques millimètres à quelques dizaines de micromètres, extrudés à des vitesses de quelques millimètres par seconde.
L’axe principal de recherche est une meilleure compréhension des mécanismes d’extrusion pour permettre le développement d’outils prédictifs numériques de conception de système d’extrusion. Cette thèse expérimentale reposera sur de la rhéométrie cryogénique basée sur un rhéomètre capillaire et/ou une expérience de couette développée au cours d’une précédente thèse. Cette étude se fera en collaboration avec le Laboratoire de Rhéologie et Procédés du l’Université Grenoble Alpes.
Vers une technologie piézoélectrique éco-innovante, durable et fiable
Vous recherchez un sujet de thèse à la frontière entre éco-innovation et high-tech… ce sujet est alors pour vous !
L'objectif central de cette thèse est de réduire l'empreinte environnementale de la technologie piézoélectrique (PZE) appliquée aux micro-actionneurs/capteurs, tout en préservant des niveaux optimaux de performances électriques et de fiabilité. Actuellement, la technologie PZE repose sur l'utilisation du plomb, notamment le matériau PZT (Pb(Zr,Ti)O3), ainsi que des électrodes telles que le Pt, Ru, Au, et des éléments dopants comme le La, Mn, Nb pour optimiser les propriétés piézoélectriques et les performances électriques. Ces matériaux, en plus de leur coût écologique significatif, font face à des pénuries avérées ou imminentes.
Dans le contexte de la nécessaire frugalité liée à la transition énergétique, cette thèse se positionne comme une exploration des technologies microsystèmes plus respectueuses de l'environnement et durables. Les travaux de recherche visent à créer un abaque à trois entrées, évaluant l'empreinte écologique, les performances électromécaniques et la fiabilité des technologies existantes (avec plomb) par rapport à celles en cours de développement (sans plomb). Pour atteindre ces objectifs, le doctorant utilisera des Analyses de Cycles de Vie (ACV), des mesures électromécaniques et des essais de fiabilité (tests accélérés de vieillissement).
Cette recherche interdisciplinaire englobera des domaines tels que l'écoconception, la science des matériaux/interfaces et les procédés de fabrication microélectroniques. Le doctorant bénéficiera du soutien des laboratoires de ses encadrants, spécialisés dans les procédés de fabrication/intégration de microsystèmes, ainsi que dans la caractérisation électrique et la fiabilité. La collaboration avec la cellule « éco-innovation » du CEA-Leti enrichira également les ressources disponibles pour la réalisation de ces travaux.
Etude du comportement d'un composite CMC en température par essais in situ en tomographie X
Le sujet proposé concerne l’étude du comportement mécanique d’un matériau composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde en température (jusqu’à 1000°C). L’originalité du sujet est l’utilisation de la tomographie X in situ pour accéder d’une part à la déformation macroscopique des éprouvettes testées et d’autre part aux mécanismes d’endommagement à l’échelle microscopique qui caractérisent ce type de matériaux dit « endommageables ».
Cette technique a été développée à température ambiante lors d'une thèse précédente : il s'agit ici de l'appliquer en température et sur des sollicitations plus complexes (eg traction-torsion). Il s'agira également de proposer des développements au protocole d'analyse par
corrélation d'image volumique existant.
Détection hors distribution avec des modèles de fondation de vision et des méthodes post-hoc
Le sujet de thèse se concentre sur l'amélioration de la fiabilité des modèles de deep learning, en particulier dans la détection des échantillons hors distribution (OoD), qui sont des points de données différents des données d'entraînement et peuvent entraîner des prédictions incorrectes. Cela est particulièrement important dans des domaines critiques comme la santé et les véhicules autonomes, où les erreurs peuvent avoir des conséquences graves. La recherche exploite les modèles de base de la vision (VFMs) comme CLIP et DINO, qui ont révolutionné la vision par ordinateur en permettant l'apprentissage à partir de données limitées. Le travail proposé vise à développer des méthodes qui maintiennent la robustesse de ces modèles pendant le fine-tuning, garantissant qu'ils peuvent toujours détecter efficacement les échantillons OoD. En outre, la thèse explorera des solutions pour gérer les changements de distribution des données au fil du temps, un défi courant dans les applications du monde réel. Les résultats attendus incluent de nouvelles techniques pour la détection OoD et des méthodes adaptatives pour les environnements dynamiques, améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité des systèmes d'IA dans des scénarios pratiques.
Moniteur de Faisceau en Diamant pour la Thérapie FLASH
L'optimisation de la dose délivrée à la tumeur nécessite des techniques de traitement avancées. Une approche prometteuse consiste à délivrer la dose en utilisant l'irradiation à très haut débit de dose (Ultra High Dose Rate – UHDR ou radiothérapie FLASH), avec l'optimisation temporelle comme stratégie clé. Des études récentes ont mis en évidence l'efficacité de l'irradiation FLASH utilisant des électrons, montrant des capacités de destructions tumorales similaires à celles obtenues avec une irradiation conventionnelle mais avec un impact réduit sur les tissus sains. Pour exploiter pleinement ce potentiel, une nouvelle approche consistera à utiliser des faisceaux innovants, tels que les faisceaux d'électrons de haute énergie et à hauts débits de dose instantanés et présentant des doses par impulsion plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux produits par les sources d’irradiation conventionnelles. Ces faisceaux prometteurs présentent un défi majeur pour leur monitoring et mesure, principalement en raison du débit de dose élevé pour lequel les systèmes de mesure actuels ne sont pas prévus de fonctionner.
Le Laboratoire de Capteurs et Instrumentation pour la Mesure (CEA-List) collaborera avec l'Institut Curie dans le cadre du projet FRATHEA. Nous proposons de développer un nouveau moniteur faisceau à base de diamant, connecté à une électronique dédiée, afin d'obtenir des mesures précises de la dose et de la forme des faisceaux pour des faisceaux d'électrons et de protons à haute énergie et haut débit de dose. Des techniques expérimentales interdisciplinaires, incluant la croissance de diamants, la microfabrication de dispositifs, la caractérisation des dispositifs sous sources radioactives et la caractérisation finale avec des faisceaux d'électrons et protons, seront utilisées pour le prototypage et l'évaluation du moniteur à faisceau en diamant.
Dans le cadre du projet FRATHEA, le doctorant travaillera sur les tâches suivantes :
· Croissance de structures de diamants monocristallin (scCVD) optimisées
· Caractérisation des propriétés électroniques des matériaux de diamant synthétisés
· Estimation des caractéristiques de réponse à la dose d'un prototype simplifié (brique élémentaire)
· Fabrication d'un moniteur de faisceau pixelisé
· Participation aux temps de faisceaux à l'Institut Curie pour les tests des dispositifs avec des faisceaux pré-cliniques
Compétences requises :
· Solide base en physique des semi-conducteurs et instrumentation
· Connaissance des détecteurs de rayonnement et des interactions rayonnement-matière
· Capacité à travailler efficacement en équipe et à faire preuve de rigueur technique dans les mesures
Compétences supplémentaires :
· Connaissances en électronique, y compris le traitement du signal, les amplificateurs, les oscilloscopes, etc.
· Familiarité avec la fabrication de dispositifs
· Expérience antérieure de travail avec des matériaux en diamant (atout mais pas obligatoire)
Profil :
· Niveau Master (M2) ou école d'ingénieur, spécialisation en mesures physiques ou instrumentation
Durée du doctorat : 3 ans
Date de début : Dernier semestre de 2025
Contact :
Michal Pomorski : michal.pomorski@cea.fr
Guillaume Boissonnat: guillaume.boissonnat@cea.fr
m.
Etudes des sources lasers à base d’alliage de GeSn pour la photonique Silicium moyen infra-rouge
Vous concevrez et fabriquerez en salle blanche des sources lasers et LEDS à base d’alliage GeSn. Ces nouveaux matériaux du groupe-IV à gap direct et épitaxié sur des wafers Si 200 mm sont considéré comme CMOS compatible et sont très prometteurs pour la réalisation de sources moyen infra-rouge bas coût. Vous caractériserez, sur un banc optique moyen infra-rouge, ces sources lumineuses, en vue de leur future intégration sur une plateforme photonique Germanium/Silicium. Enfin, vous évaluerez également la faisabilité de détection de gaz dans une gamme de concentrations de quelques dizaines à quelques milliers de ppm.
Les objectifs de la thèse sont de :
• Concevoir des empilements de GeSn (Si) efficaces confinant à la fois les électrons et les trous, tout en offrant un fort gain optique.
• Evaluer le gain optique sous pompage optique et injection électrique, à différentes contraintes et niveaux de dopage
• Concevoir et fabriquer des cavités laser à fort confinement optique
• Caractériser les composants fabriqués sous injection optique et électrique en fonction de leur état de déformation à température ambiante et à basse température.
• Obtenir des lasers continus du groupe-IV pompé électriquement
• Comprendre les phénomènes physiques pouvant impacter les performances des matériaux et des composants pour l’émission de lumière.
• Caractériser les meilleurs composants fabriqués pour des détections bas-couts de gaz environnementaux.
Ce travail impliquera des contacts avec des laboratoires étrangers travaillant sur le même sujet dynamique.
Validation d'un modèle d'attaquant pour les attaques laser sur les circuits intégrés
La sécurité des systèmes embarqués est aujourd'hui un enjeu fondamental dans de nombreux domaines : IoT, Automobile, Aéronautique, entre autres. Les attaques physiques sont une menace spécifique supposant un accès physique à la cible. En particulier, les attaques par injection de fautes sur les circuits intégrés (CI) permettent de perturber le système afin de récupérer des donnés confidentielles ou de contourner un mécanisme vérifiant l'intégrité du code exécuté sur une machine. En raison de leurs fortes capacités à générer des vulnérabilités, les développeurs doivent protéger leur système contre de telles attaques pour être conformes aux normes de sécurité telles que Common Criteria et FIPS.
Dans le contexte de la constante réduction des technologies silicium, et avec la transition vers les technologies FD-SOI, le modèle de vulnérabilité d'un CI doit être drastiquement révisé, du niveau transistor jusqu'à celui des circuits numériques complexes. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier la validation du modèle d'attaquant à ce dernier niveau. L'objectif est de contribuer à la définition d'un modèle de vulnérabilité après la synthèse d'une description RTL d'un circuit (par exemple un microcontrôleur) dans une technologie FD-SOI 22 nm. Ces modèles contribueront à définir le modèle d'attaquant injecté en entrée d'outils de vérification formelle. Le candidat devra définir une méthodologie pour caractériser par des expériences laser les modèles multicouches et hétérogènes afin de fournir une analyse quantitative de leur limite de validité. La méthodologie sera testée sur des ASIC réalisés par le CEA dans le cadre de projets de R&D permettant d'avoir une maîtrise et une connaissance complète de l'architecture, des paramètres de conception et de synthèse et des codes exécutés.
Modélisation des effets de compressibilité dans les approches RANS
Les effets de compressibilité sur les écoulements turbulents sont le plus souvent pris en compte au travers de l’hypothèse de Morkovin et l’introduction de la masse volumique dans les quantités transportées des équations du mouvement. En conséquence les modèles de turbulence, développés avec des hypothèses d’incompressibilité, sont utilisés tels quels, sans correction particulière. Pour des écoulements à grand nombre de Mach, et notamment les écoulements hypersoniques avec parois froides, des effets compressibles peuvent néanmoins se faire sentir sur la turbulence et il convient dès lors de disposer de corrections dans les modèles de turbulence servant à décrire le mouvement fluide.Jusqu’à récemment, les corrections usuellement utilisées, développées il y a plusieurs dizaines d’années, ne répondaient que partiellement aux problèmes constatés. Grâce à l’émergence de données DNS sur des écoulements à fort nombre de Mach, des travaux récents ont pu revisiter ces corrections dans le cadre d’un modèle RANS EVM (Eddy Viscosity Model) de type k-w. Ces nouvelles corrections correspondent en fait aux effets de quatre termes non modélisés dans les équations de transport des scalaires turbulents. En reprenant l’analyse des données DNS, complétées par de nouvelles, on se propose de reprendre la modélisation des effets de compressibilité en tentant de fermer les différents termes des équations. Ainsi, on envisage de développer des modèles RSM (Reynolds Stress Model) et EVM prenant en compte les différents effets compressibles.