Conception de circuit radiofréquence pour la communication zéro energie
Notre ambition pour la communication 6G est de réduire radicalement l'énergie dans l'IoT. Pour ce faire, nous souhaitons développer un circuit intégré permettant une communication à énergie zéro qui sera une preuve de concept.
L'objectif de cette thèse est de concevoir ce circuit en FD-SOI et de le faire fonctionner dans la bande des 2,4 GHz. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une nouvelle technique de conception qui révolutionne actuellement la conception des radiofréquences. Nous espérons que de nombreuses innovations pourront être réalisées au cours de ce doctorat en combinant ces deux innovations.
Le candidat intégrera une grande équipe de conception et participera à des projets de collaboration au niveau européen. Dans un premier temps, il analysera les contraintes du système pour choisir la meilleure architecture et en déduire les spécifications. Ensuite, il formalisera mathématiquement les performances de la technique de rétrodiffusion afin de mettre en place une méthodologie de conception. Il travaillera ensuite à plein temps sur la conception du circuit, envoyant à la fabrication deux circuits en technologie 22 um. Il sera également impliqué dans le test du circuit ainsi que dans la préparation d'un démonstrateur des techniques de rétrodiffusion. Nous espérons publier plusieurs articles dans des conférences de haut niveau.
Apprentissage des modèles du monde pour les agents autonomes avancés
Les modèles du monde sont des représentations internes de l'environnement externe qu'un agent peut utiliser pour interagir avec le monde réel. Ils sont essentiels pour comprendre les lois physiques qui régissent les dynamiques du monde réel, faire des prédictions et planifier des actions à long terme. Les modèles du monde peuvent être utilisés pour simuler des interactions réelles et améliorer l'interprétabilité et l'explicabilité du comportement d'un agent dans cet environnement, ce qui en fait des composants clés pour les modèles avancés d'agents autonomes.
Néanmoins, la construction d'un modèle du monde précis reste un défi. L'objectif de cette thèse de doctorat est de développer une méthodologie pour apprendre les modèles du monde et étudier leur utilisation dans le contexte de la conduite autonome, en particulier pour la prévision des mouvements et le développement d'agents autonomes pour la navigation.
Développement d'un modèle prédictif de puissance électrique pour un module photovoltaïque soumis à des contraintes spatiales
Le CEA développe des nouvelles architectures cellules et modules ainsi que des outils de simulation pour évaluer les performances électriques des systèmes photovoltaïques (PV) dans leur environnement de fonctionnement. Un des modèles appelé CTMod (Cell To Module) développé au CEA, permet de tenir compte des différents matériaux constituant le module, mais aussi, des différentes architectures de cellules. Pour les applications spatiales, la communauté souhaite utiliser les technologies terrestres à base de silicium intégrables sur des PVA (Photovoltaïc Assembly) flexibles. L’environnement spatial impose de très fortes contraintes. Une évaluation pertinente des performances en début et fin de mission est donc indispensable pour leur dimensionnement.
L’objectif de la thèse est de corréler les modèles physiques de dégradation rayonnement-matière spécifique pour une utilisation dans le domaine spatial avec les modèles électriques des cellules photovoltaïques. Les dégradations des performances liées aux différentes irradiations électrons, protons et ultraviolet (UV) de l’environnement spatial seront évaluées et validées expérimentalement. Associé au modèle CTMod, cette nouvelle approche jamais abordée dans la littérature permettra d’avoir une compréhension plus pointue des interactions entre les radiations et les PVAs. Ces dégradations sont issues de phénomènes de dépôts d’énergie non ionisants, quantifiés par la dose de défauts par déplacement, et ionisants quantifiés par la dose ionisante totale pour les protons et électrons. Pour les UV, l’excitation des électrons de la matière engendre des ruptures de chaînes dans les matériaux organiques et des centres colorés dans les matériaux inorganiques. Dans un premier temps la cellule solaire utilisée dans le modèle sera une cellules Silicium, mais le modèle pourra être complété avec d’autres types de cellules solaires en développement telles que les cellules à base de perovskite.
Injection multiple d’hydrogène dans la ligne anodique d'une pile PEMFC
L’architecture d’alimentation alternée a été mise au point par le CEA. Cette architecture a émergée en 2013 et a été mise en œuvre dans plusieurs systèmes pile à combustible. Suite aux derniers essais sur cette architecture, des questions sont restées en suspens. Dans un premier temps il s'agit de comprendre comment se déplacent les espèces (hydrogène, azote, eau liquide et gazeuse) dans les cellules en fonctionnement par alimentation alternée. Le pilotage influe sur ces déplacements, il sera nécessaire d'identifier les leviers pour en tirer le meilleur parti puis de proposer des méthodes pour favoriser l’évacuation de l’eau et de l’azote tout en évitant l’évacuation de l’hydrogène.
Les travaux de thèse auront pour objectifs l’optimisation de l’architecture anodique à alimentation alternée et de faire monter cette architecture en maturité. Les points clés sont la recherche d’un optimum de pilotage de cette architecture, l'atteinte un taux de rejet d‘hydrogène inférieur à 1%. Enfin, cette optimisation devra également maximiser la durabilité du stack.
Le doctorant devra modéliser les mouvements des espèces à différentes échelles de temps (10ms à 10minutes), comprendre les mécanismes, adapter les lois de commande et valider les nouvelles lois sur banc d’essai.
Ces travaux permettront d’identifier des solutions pour évacuer efficacement l’eau liquide et l’azote et minimiser les rejets H2 puis d’obtenir des performances supérieures par rapport aux architectures conventionnelles.
Mesure de la réponse intra-pixel de détecteur infrarouge à base de HgCdTe avec des rayons X pour l’astrophysique
Dans le domaine de l'astrophysique infrarouge, les capteurs de photons les plus utilisés sont des matrices de détecteur basées sur le matériau absorbant HgCdTe. La fabrication de tels détecteurs est une expertise mondialement reconnue du CEA/Leti à Grenoble. Quant au département d'astrophysique (DAp) du CEA/IRFU, il possède une expertise reconnue dans la caractérisation de ce type de détecteurs. Une caractéristique majeure est la réponse spatiale du pixel (RSP), elle caractérise la réponse d'un pixel élémentaire de la matrice à la génération ponctuelle de porteurs au sein du matériau absorbant à divers endroits dans le pixel. Aujourd’hui cette caractéristique des détecteurs devient un paramètre clef des performances instruments, elle est critique lorsqu’il s’agit par exemple de mesurer la déformation de galaxie, ou de faire de l’astrométrie de précision. Il existe différentes méthodes existent pour mesurer cette grandeur (projection de sources lumineuses ponctuelles, méthodes interférentielles). Ces méthodes sont complexes à mettre en œuvre, notamment aux températures cryogéniques de fonctionnement des détecteurs.
Au DAp, nous proposons une nouvelle méthode, basée sur l’utilisation de photons X pour mesurer la RSP de détecteur infrarouge : en interagissant avec le matériau HgCdTe, le photon X va générer des porteurs localement. Ces porteurs vont diffuser avant d’être collectés. L’objectif est ensuite de remonter à la RSP en analysant les images obtenues. Nous suggérons une approche à deux volets, intégrant à la fois des méthodes expérimentales et des simulations. Des méthodes d’analyse de données seront aussi développées. Ainsi, l’objectif final de cette thèse est de développer une nouvelle méthode, robuste, élégante et rapide de mesure de la réponse intra-pixel de détecteur infrarouge pour l’instrumentation spatiale. L’étudiant.e sera basé au DAp. Ce travail implique également le CEA/Leti, combinant l'expertise instrumentale du DAp avec les connaissances technologiques du CEA/Leti.
Développement et caractérisation d'une ligne de lumière stabilisée à 13,5 nanomètres portant un moment angulaire orbital
La gamme d'énergie de photons de l'extrême ultraviolet (EUV, 10-100 nm) est cruciale pour de nombreuses applications allant de la physique fondamentale (attophysique, femto-magnétisme) aux domaines appliqués telles que la lithographie et la microscopie à l'échelle du nanomètre. Cependant, il n'existe pas de source naturelle de lumière dans ce domaine spectral sur Terre, car les photons sont fortement absorbés par la matière, ce qui nécessite un environnement sous vide. Il faut donc s'en remettre à des sources coûteuses, telles que les synchrotrons, les lasers à électrons libres ou les plasmas générés par des lasers intenses. La génération d'harmoniques laser d'ordre élevé (HHG), découverte il y a 30 ans et récompensée par le prix Nobel de physique en 2023, est une alternative prometteuse en tant que source de rayonnement EUV à l'échelle du laboratoire. Basée sur une interaction fortement non linéaire entre un laser de très courte durée et un gaz atomique, elle permet l'émission d'impulsions EUV d'une durée allant de la femtoseconde à l'attoseconde, avec des propriétés de cohérence très élevées et des flux relativement importants. Malgré des recherches intensives qui ont permis de comprendre clairement le phénomène, son utilisation a jusqu'à présent été essentiellement circonscrite aux laboratoires. Pour combler le fossé qui nous sépare des applications industrielles, il faut accroître la fiabilité de ces lignes de lumière, soumises à d'importantes fluctuations en raison de la forte non-linéarité du mécanisme, et développer des outils pour mesurer et contrôler leurs propriétés.
Le CEA/LIDYL et la PME Imagine Optic ont récemment réuni leur expertise dans un laboratoire commun afin de développer une ligne de faisceau EUV stable dédiée à la métrologie et aux capteurs EUV. Le laboratoire NanoLite, hébergé au CEA/LIDYL, est basé sur une ligne de faisceau HHG compacte à haut taux de répétition fournissant des photons EUV autour de 40eV. Plusieurs capteurs de front d'onde EUV ont été étalonnés avec succès au cours des dernières années. Cependant, de nouveaux besoins sont apparus récemment, entraînant la nécessité de moderniser la ligne de faisceau.
Le premier objectif du doctorant sera d'installer une nouvelle géométrie HHG sur la ligne de faisceau afin d'améliorer sa stabilité et son efficacité globales et d'augmenter l'énergie des photons à 92eV, une cible en or pour la lithographie. Il mettra ensuite en œuvre la génération d'un faisceau EUV porteur d'un moment angulaire orbital et améliorera le détecteur d'Imagine Optic pour caractériser son contenu en OAM. Enfin, avec l'aide des ingénieurs d'Imagine Optic, il développera une nouvelle fonctionnalité pour leurs capteurs de front d'onde afin de permettre la caractérisation de grands faisceaux.
Implémentation matérielle/logicielle sécurisée et agile des nouveaux algorithmes de signature numérique en cryptographie post-quantique
La cryptographie joue un rôle fondamental dans la sécurisation des systèmes de communication modernes en garantissant la confidentialité, l'intégrité et l'authenticité. La cryptographie à clé publique, en particulier, est devenue indispensable pour sécuriser les processus d’échange de données et d’authentification. Cependant, l’avènement de l’informatique quantique constitue une menace pour de nombreux algorithmes cryptographiques à clé publique traditionnels, tels que RSA, DSA et ECC, qui reposent sur des problèmes tels que la factorisation entière et les logarithmes discrets que les ordinateurs quantiques peuvent résoudre efficacement. Conscient de ce défi imminent, le National Institute of Standards and Technology (NIST) a lancé en 2016 un effort mondial pour développer et normaliser la cryptographie post-quantique (PQC). Après trois rondes d'évaluations, le NIST a annoncé son premier ensemble d'algorithmes standardisés en 2022. Bien que ces algorithmes représentent un progrès significatif, le NIST a exprimé un besoin explicite de cryptosystèmes supplémentaires qui exploitent des hypothèses de sécurité alternatives et a ouvert un nouveau concours dédié aux nouvelles signatures.
À mesure que la communauté cryptographique s’oriente vers l’adoption de cette nouvelle cryptographie, un défi majeur réside dans leur déploiement efficace dans des systèmes réels. Les implémentations matérielles, en particulier, doivent répondre à des exigences strictes en matière de performances, de consommation d'énergie et de coût, tout en offrant la flexibilité nécessaire pour s'adapter à plusieurs algorithmes, qu'ils soient standardisés ou encore en cours d'évaluation. Une telle agilité est essentielle pour pérenniser les systèmes face à l’incertitude inhérente aux transitions cryptographiques. L'objectif principal de cette thèse sera de concevoir et de développer des implémentations matérielles agiles pour des algorithmes de signature numérique post-quantique. Cela implique une étude approfondie des principaux candidats du quatrième tour du concours du NIST, ainsi que de ceux déjà standardisés, afin de comprendre leurs formalismes, leurs propriétés de sécurité et leurs bottlenecks. La thèse explorera également les optimisations pour l'efficacité des ressources, en équilibrant les compromis entre performances, consommation d'énergie et surface. De plus, la résilience contre les attaques physiques (attaques par canaux cachés et par injection de fautes) sera un élément clé du processus de conception.
Ce projet de thèse sera mené au sein du projet PEPR PQ-TLS en collaboration avec le laboratoire TIMA (Grenoble), l'Agence nationale de la sécurité des systèmes d'information (ANSSI) et l'INRIA.
Etude numérique et expérimentale de la fissuration des combustibles nucléaires oxydes et de la séparation de l’interface oxyde-gaine
Le CEA mène des études et expertises sur les combustibles nucléaires céramiques à base de dioxyde d’uranium (UO2). Des schémas numériques avancés pour la simulation prédictive du comportement de ces combustibles sont développés et s’appuient sur une démarche d’amélioration continue des modèles et des lois relatives aux propriétés physiques des matériaux. Les combustibles nucléaires sont des céramiques poreuses, dont la microstructure dépend de leur procédé de fabrication. Afin de garantir le confinement des produits de fission et le bon refroidissement du combustible, des gaines en alliage métallique sont disposées autour des combustibles.
Au cours de leur utilisation en réacteur, on observe une interaction mécanique entre le combustible et la gaine et potentiellement un accrochage, ce qui favorise le refroidissement du combustible en réduisant la résistance thermique de l’interface. Des fissures peuvent également apparaitre au sein du combustible créant, selon leur orientation, des barrières thermiques ou des chemins d’écoulement privilégiés pour les produits de fission créés lors de l’irradiation. Ces gaz vont ensuite exercer une pression sur les faces intérieures de la gaine ce qui peut, dans certaines conditions, entrainer une séparation/un décollement de l’interface combustible gaine et potentiellement l’apparition d’une lame de gaz entre le combustible et la gaine ce qui aurait un impact à la fois sur la thermique, et sur le comportement des produits de fission volatils.
Le but de cette thèse est donc de développer une démarche de caractérisation et modélisation de l’interface combustible-gaine fondée sur l’expérience, permettant notamment de prédire les conditions pouvant conduire à son décollement. Le travail consistera tout d’abord en la simulation numérique d’essais de décollement d’interface existants, ainsi que de l’effet d’une pression de gaz à l’intérieur du combustible, en présence ou non de fissures au sein du combustible. Il est envisagé de décrire numériquement l’interface par un modèle de zone cohésive, régi par la contrainte maximale, ainsi que par l’énergie dissipée pour la création de fissure. Les simulations permettront de comprendre le rôle des chacun de ces paramètres dans le décollement de la gaine. En fonction de ces résultats, il est envisagé de concevoir de nouveaux essais pour identifier les paramètres des lois de comportement mises en œuvre.
Ce travail sera basé au Département d’Etude des Combustibles de l’Institut IRESNE (CEA-Cadarache) pour les aspects spécifiques au comportement du combustible, et mené en étroite collaboration avec le Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay pour l’étude des interfaces. Ainsi la personne travaillant sur ce sujet bénéficiera d’un environnement scientifique riche et stimulant et aura, en outre, la responsabilité de proposer, développer, réaliser et interpréter des expériences sur combustible nucléaire. Les compétences et connaissances acquises par le candidat seront valorisées à travers la rédaction de publications dans des journaux scientifiques internationaux et la présentation de ses travaux dans des conférences internationales.
Radars passifs distribués
L'objectif de cette thèse consiste à détecter et localiser des drones pénétrant dans une zone urbaine à protéger grâce à l’observation des signaux émis par les stations cellulaires.
Des études ont montrées qu’il était possible de localiser un drone s’il était proche du système d’écoute et de la station cellulaire (i.e. la station de base). Quand la situation est plus complexe (i.e. il n’y a pas de trajet direct entre la station cellulaire et le radar ou en présence de plusieurs stations cellulaires émettrices causant un fort niveau d’interférence), un seul système d’écoute dit radar passif ne peut détecter et localiser correctement le drone.
Pour s’affranchir de ces conditions difficiles, nous souhaitons distribuer ou déployer sur la zone à protéger un ensemble de radars passifs à faible complexité qui exploitent de façon optimale les signaux émis par ces stations cellulaires. Une stratégie de distribution et de déploiement de radars passifs est alors à considérer en prenant en compte les positions des stations cellulaires émettrices. La possibilité d’échanger des informations entre les radars passifs doit également être envisagée afin de mieux gérer les interférences liées aux stations cellulaires.
Le candidat devra faire état d’une formation de niveau Master 2 à dominante traitement numérique du signal. De bonnes connaissances en télécoms, radar et propagation sont recommandées.
L’étudiant sera accueilli au CEA Grenoble dans une équipe d’experts en traitement du signal pour les télécommunications (http=s://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/plateforme-telecommunications.aspx)
Pour des batteries performantes, sûres, et à longue durée de vie : compréhension du rôle d'un additif dans les électrolytes liquides
Le compromis entre performance, vieillissement et sécurité reste un enjeu majeur pour les batteries Li-ion [1]. En effet, l’intégration de certains additifs dans l’électrolyte de 3e génération vise à retarder ou atténuer les conséquences de l’emballement thermique, réduisant ainsi les risques d’incendie ou d’explosion. Toutefois, cette approche peut avoir des effets négatifs sur d’autres paramètres clés, tels que la conductivité ionique [2,3]. Ainsi, cette thèse propose d’étudier les effets couplés de ces additifs afin de mieux comprendre et, potentiellement, prédire leur impact sur chaque indicateur.
Au début de ce travail, un additif sera sélectionné pour étudier son rôle au sein d’une chimie de type NMC 811/Gr-Si et d’un électrolyte liquide de 3e génération, en termes de performance, de stabilité à long terme et de sécurité. L’additif sera choisi sur la base de l’état de l’art et d’une analyse post-mortem de cellules commerciales représentatives du marché actuel. Parallèlement, des cellules commerciales neuves de quelques Ah seront utilisées. Celles-ci seront équipées d’une électrode de référence, d’une mesure de température interne et de la conductivité ionique de l’électrolyte. Ces cellules seront ensuite activées avec l’électrolyte sélectionné, à différentes concentrations d’additif. La performance électrochimique, associée à une caractérisation chimique et morphologique des matériaux présents, sera étudiée. Les principaux paramètres de sécurité (stabilité thermique, dégagement de gaz réducteurs, O2, énergie dégagée, inflammabilité de l’électrolyte) de ces cellules neuves seront mesurés à différentes concentrations d’additif. L’instrumentation interne, notamment l’électrode de référence, sera également utilisée de manière innovante pour étudier l’apparition de l’emballement thermique dans ces conditions.
Une campagne complète de vieillissement sera réalisée sur une période maximale d’un an. À intervalles réguliers, un échantillonnage des cellules sera étudié afin de caractériser l’impact du vieillissement sur les changements chimiques, électrochimiques et morphologiques, ainsi que sur les paramètres de sécurité clés. Les mécanismes les plus importants, ainsi que des lois simplifiées régissant la sécurité en fonction de la quantité d’additif et du vieillissement, seront proposées.
[1] Batteries Open Access Volume 9, Issue 8, August 2023, Article number 427
[2] Journal of Energy Storage 72 (2023) 108493
[3] Energy Storage Materials 65 (2024) 103133