Études théoriques des phénomènes orbitroniques et de spin-orbite dans les hétérostructures comprenant des matériaux de van der Waals, des métaux et des oxydes
Ce thèse de doctorat vise à trouver les meilleures combinaisons inexplorées de métaux de transition, d'oxydes et de matériaux 2D (dichalcogénures de métaux de transition, aimants 2D, graphène...) pour aider à optimiser et à fournir les bases scientifiques des dispositifs de stockage et de mémoire spintroniques à haut rendement énergétique, basés sur les domaines émergents de la spin-orbitronique et de l'orbitronique. Cette dernière est un nouveau domaine de recherche fascinant qui exploite les courants orbitaux et leur interaction avec les courants de spin médiés par le couplage spin-orbite.
En utilisant de calculs ab initio combinés à une approche liaison fort et à la théorie de la réponse linéaire, nous examinerons le potentiel des hétérostructures susmentionnées non seulement pour les phénomènes spin-orbite tels que l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) et l'interconversion spin-charge basée sur les effets Rashba et Rashba-Edelstein (REE), mais nous nous concentrerons également sur l'effet orbital Rashba-Edelstein (OREE). En outre, les mécanismes de contrôle de ces phénomènes par des stimuli externes (déformation, champs électriques et magnétiques externes) seront également étudiés. Ces études permettront de trouver des combinaisons de matériaux optimales pour assurer l'efficacité de la DMI, de la PMA et de l'interconversion spin-charge afin d'optimiser les dispositifs spintroniques et de contribuer ainsi de manière significative au développement d'une microélectronique durable.
Le projet de these sera basé sur une approche multi-échelle incluant des approches ab initio, liaison forte et atomistiques. Un candidat très motivé avec une bonne expérience en physique du solide, en théorie de la matière condensée et en simulations numériques est donc requis. Il/elle effectuera ses calculs sur les nœuds du cluster de calcul Spintec en utilisant des codes ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) combinés à d'autres codes/outils de simulation. Les résultats obtenus seront analysés avec soin et pourront être publiés dans des revues scientifiques internationales. Une forte collaboration avec des laboratoires en France (CEA/LETI, Laboratoire Albert Fert (CNRS,Thales), Aix-Marseille Univ...) et à l'étranger (ICN2-Barcelone, PGI Forschungszentrum Jülich, Osaka University) est prévue.
Suivi en ligne des procédés de bio-production par imagerie holographique 3D
La culture des cellules adhérentes sur microcarriers (MCs) est un moyen prometteur pour différentes applications en bioproduction, comme la fabrication et l'administration de biomédicaments, la médecine régénérative, ou le suivi de la différenciation cellulaire. Cependant, elle pose des défis majeurs pour l’analyse des cellules sans affecter l’intégrité du substrat. L’imagerie holographique sans lentille se présente comme une solution prometteuse, capable de capturer des images de cellules sur un grand champ de vue sans aucune étape biochimique supplémentaire.
Cette thèse propose de développer un système d’imagerie holographique 3D pour le suivi des cellules sur MCs en temps quasi-réel, avec des algorithmes avancés pour la reconstruction et l’analyse d’images. Ce système sera intégré dans des bioréacteurs en ligne, testant sa précision et sa robustesse sur des cultures biologiques variées. L’utilisation de l’apprentissage profond permettra la segmentation et l'analyse des cellules en temps quasi-réel, facilitant ainsi le suivi des dynamiques cellulaires. Ce projet innovant promet d'optimiser les procédés biologiques en offrant une vision non invasive des échantillons multicellulaires en 3D, avec des applications potentielles comme le suivi d’organes-sur-puce et de systèmes cellulaires complexes.
Développement des procédés de gravure pour les nœuds avancés utilisant des techniques SADP
La miniaturisation des composants électroniques impose le développement de nouveaux procédés, car la lithographie immersion 193nm seule ne permet plus d’atteindre les dimensions demandées pour les nœuds technologiques les plus avancés (sub-10nm). Depuis des années, des stratégies complémentaires à la lithographie se sont développées. Ici, nous étudierons la technique de « Self-Aligned Double Patterning » (SADP), qui divise par deux le pas du réseau des motifs lithographiés initialement. Cette technique repose sur un dépôt conforme de diélectrique (espaceur) de part et d’autre des motifs initiaux (mandrel). Ces espaceurs serviront ensuite de masque de gravure pour l'obtention des motifs finaux. Les faibles dimensions recherchées imposent un contrôle parfait des procédés de gravure. Or cette étape altère les matériaux déposés conduisant à une perte des dimensions. Un des grands enjeux sera de maîtriser la gravure et donc la modification des matériaux utilisés pour satisfaire les spécifications recherchées (largeur des motifs, profil de gravure, consommation des couches d’arrêt, uniformité, vitesse de gravure…). Un des objectifs sera aussi de proposer des approches SADP alternatives permettant de générer différents types de motifs sur la plaque pour réaliser des transistors planaires FDSOI, ce qui est peu répandu actuellement dans la littérature.
Les défis de cette thèse ?
Développer des procédés innovants de gravure
Explorer de nouveaux couples de matériaux (espaceur/mandrel) et proposer in-fine une solution d’intégration industrielle qui pourra être validée électriquement.
Identifier les possibles verrous technologiques et proposer des solutions pour les contourner
Mettre en place un protocole de caractérisation fiable détectant les modifications physico-chimiques des matériaux en présence et la dimension des motifs finaux
Sperm 3D - Outil de diagnostic de l'infertilité masculine utilisant l'holographie pour l'imagerie et le suivi en 3D
L'infertilité est un problème croissant dans tous les pays développés. Les méthodes standard de diagnostic de la stérilité masculine examinent la concentration, la mobilité et les anomalies morphologiques des spermatozoïdes individuels. Cependant, un cas d'infertilité masculine sur cinq reste inexpliqué avec les outils de diagnostic standard.
Dans cette thèse, nous explorerons la possibilité de déterminer les causes de l'infertilité masculine à partir de l'analyse détaillée des trajectoires 3D et de la morphologie des spermatozoïdes nageant librement dans un environnement imitant les conditions de l'appareil reproducteur féminin. Pour cette tâche difficile, nous développerons un microscope spécialisé basé sur l'holographie pour l'imagerie rapide et le suivi des spermatozoïdes individuels. Outre les méthodes numériques classiques, nous utiliserons des algorithmes d'intelligence artificielle modernes pour améliorer la qualité de l'imagerie et pour analyser les données multidimensionnelles.
Tout au long du projet, nous collaborerons étroitement avec un institut de recherche médicale (CHU/IAB) spécialisé dans les technologies de reproduction assistée (ART). Nous examinerons des échantillons de patients réels afin de développer un nouvel outil pour le diagnostic de l'infertilité masculine.
Etude de l’effet de l’activation plasma sur la fiabilité des intégrations hybrides Cu/SiO2
Au cours des dernières années, le CEA-LETI s’est imposé comme un des principaux leaders mondiaux dans le développement de procédés pour l’industrie microélectronique avancée. En particulier, les procédés de collage hybride (HB) direct Cu/SiO2 plaque à plaque, une technologie de plus en plus utilisée pour la fabrication de dispositifs compacts, performants et multifonctionnels. Chaque plaque contient des circuits intégrés enterrés sous une couche contenant des plots électriques en Cu dans une matrice de SiO2. L’assemblage des plaques par collage directe consiste en la mise en contact de surfaces très propres. L’adhésion est assurée par la création spontanée de liaisons atomiques à l’interface de collage. Afin d’assurer une bonne tenue mécanique de la structure, il est indispensable d’activer la surface avant collage. Plusieurs approches ont été développées mais l’activation par plasma N2 reste la plus utilisée dans l’industrie. Cependant, l’utilisation de ce procédé reste controversée à cause des effets indésirables qu’il peut induire : 1/ la formation de nodules de Cu à l’interface de collage entre les plots métalliques et 2/ le dépôt d’espèces chimiques au niveau de l’interface Cu-Cu. Ces effets peuvent être préjudiciables aux propriétés électriques et à la fiabilité des dispositifs (claquage diélectrique en particulier). En collaboration avec STMicroelectronics et IM2NP, nous souhaitons étudier les différents mécanismes mis en jeu afin de pouvoir proposer un procédé d’activation assurant à la fois tenue mécanique et fiabilité de nos intégrations.
Détection micro-onde champ proche en milieux hétérogènes
Cette thèse porte sur le développement de techniques de détection en champ proche par micro-ondes pour des applications en biomédecine, agronomie et géophysique. L'objectif principal est de concevoir des algorithmes peu complexes qui résolvent efficacement des problèmes inverses liés à la caractérisation et à la détection des propriétés diélectriques avec diverses distributions géométriques dans des milieux hétérogènes.
Le candidat commencera par effectuer une revue complète des méthodes existantes de détection radar et de traitement du signal avancé. Un modèle physique précis de la propagation des micro-ondes en champ proche sera élaboré, servant de base à de nouvelles méthodes de détection basées sur le concept de tomographie itérative pilotée par la physique. L'objectif final est de formuler des algorithmes efficaces, adaptés aux applications en temps réel, et de les valider par une mise en œuvre expérimentale. À cette fin, un prototype évolutif sera développé, passant de milieux 2D à des scénarios 3D plus complexes.
Ce projet interdisciplinaire combine la modélisation physique, le développement d'algorithmes et l'expérimentation pratique. Il offre l'opportunité de faire progresser le domaine de l'imagerie par micro-ondes, avec des implications majeures pour les applications biomédicales et environnementales.
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.
Alimentation à haut niveau d'isolement
Avec l’évolution rapide des technologies et les défis croissants en matière de miniaturisation et de gestion des ressources, les convertisseurs de puissance doivent faire face à des exigences de performance de plus en plus strictes. Pour répondre à ces besoins, l’utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le SiC (carbure de silicium) et le GaN (nitrure de gallium), devient de plus en plus courante. Ces matériaux permettent d’augmenter significativement la vitesse de commutation des convertisseurs, réduisant ainsi les pertes et améliorant leur efficacité.
Cependant, cette rapidité de commutation engendre des défis supplémentaires : la raideur des fronts de commutation peut provoquer des courants parasites qui perturbent les commandes des interrupteurs. Pour contrer ces effets indésirables, il est nécessaire d'utiliser des drivers d’interrupteurs offrant un niveau d’isolation élevé. La solution traditionnelle repose sur des transformateurs magnétiques hautes fréquences, mais ces dispositifs présentent un coût élevé, un encombrement significatif et une isolation limitée.
L’objectif de cette thèse est de concevoir une nouvelle solution pour l’alimentation des drivers de composants grand-gap, en remplaçant les transformateurs magnétiques par des transformateurs piézoélectriques. Cette approche innovante vise à réduire les coûts, l’encombrement et améliorer l’efficacité globale des systèmes de conversion de puissance.
Encadrement et Ressources : le candidat sélectionné travaillera au sein d'une équipe de recherche de pointe, reconnue pour son expertise dans le domaine de la conversion de puissance par résonateurs piézoélectriques. L'équipe dispose des ressources et du savoir-faire nécessaires pour soutenir le développement et la validation de cette technologie novatrice.
Cinétique du front de fusion d’un Matériau à Changement de Phase utilisé pour évacuer la puissance résiduelle d’un réacteur nucléaire innovant
Dans le cadre du développement de réacteurs nucléaires innovants de à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na), cette thèse vise à explorer l’utilisation d’un matériau à changement de phase (MCP) pour évacuer la puissance résiduelle. Le MCP étudié dans ce projet est le Zamak, un alliage métallique présentant des caractéristiques intéressantes pour ce type d’applications thermiques.
Certains concepts de RNR-Na intègrent des systèmes de sûreté passifs conçus pour assurer l’évacuation de cette puissance résiduelle, qui correspond à la chaleur dégagée par les fissions retardées et les décroissances radioactives des isotopes du combustible après l’arrêt du réacteur. L'utilisation de matériaux à changement de phase est une option intéressante, permettant d’absorber et de stocker la chaleur grâce à la fusion du MCP, puis de la restituer progressivement.
Le cœur de cette thèse porte sur la modélisation CFD du processus de fusion du Zamak et de la remontée d'échelle vers un outil de calcul simplifié. Le défi principal réside dans la prédiction du comportement du front de fusion, de sa stabilité et de son impact sur la cinétique d'évacuation de la puissance résiduelle. Ce front de fusion est influencé entre autre par l'angle de mouillage, la physico-chimie de l'interface MCP-paroi ou MCP-gaz environnant, qui seront à étudier durant la thèse. Les travaux de recherche porteront donc sur le développement d’un modèle CFD qui intègre ces éléments, avec une approche par enthalpie poreuse, permettant ainsi des simulations prédictives du comportement du MCP dans le système d’évacuation de la puissance résiduelle. Une analyse de remontée d'échelle sera ensuite effectuée.
Le doctorant sera positionné dans une équipe de recherche sur les réacteurs innovants à l’institut IRESNE sur le site du CEA de Cadarache. Les débouchés après la thèse incluent la recherche universitaire, la R&D et l’industrie nucléaire, également dans des secteurs mettant en œuvre des MCP.
Identification versus anonymisation depuis un client embarqué opérant sur une blockchain
Le premier déploiement d’une blockchain à l’échelle de la planète date de 2010 avec Bitcoin, qui introduit un système monétaire complètement numérique et une crypto-monnaie, le bitcoin. Au sein de Bitcoin, toutes les transactions sont publiquement accessibles et traçables, ce qui devrait générer de la confiance entre les acteurs. Mais la traçabilité des transactions, in fine de la crypto-monnaie, n’implique pas la traçabilité des utilisateurs authentifiés par une adresse de compte, ou plus exactement par un ensemble d’adresses de compte indépendantes les unes des autres. Dans ce contexte, il peut s’avérer complexe de remonter aux personnes physiques ou morales détentrices de crypto-monnaie.
La crypto-monnaie n’est pas le seul cas d’usage supporté par la technologie blockchain. Le déploiement d’Ethereum en 2014, s’appuyant sur l’usage de smart contracts, a ouvert à beaucoup d’autres usages, en particulier la protection des données identifiantes. Dans ce domaine, les besoins de traçabilité, versus de furtivité, peuvent être très différents d’un cas d’usage à un autre. Par exemple, sur une blockchain qui enregistre l’accès d’un travailleur munis d’un certificat de travail, à un site industriel, aucune information permettant d’identifier le travailleur ou de tracer son activité ne devra figurer. En revanche, dans le cas de données collectées par des capteurs IoT et traitées par des dispositifs Edge distants, la traçabilité des données et des traitements est souhaitable.
La thèse propose d’étudier différentes techniques de traçabilité des avoirs numériques sur une blockchain, de furtivité de leurs possesseurs, ainsi que de la possibilité d’audit et d’identification par un organisme habilité. La finalité est de construire des dispositifs embarqués, Edge ou personnels embarquant possiblement une intelligence artificielle, sécurisés par des composants matériels, intégrant différentes solutions cryptographiques et structures de wallet pour répondre aux besoins de différents cas d’usage envisagés.