Co-conception de convertisseurs intégrés ultra-compacts exploitant des micro-batteries tout solide
L’amélioration des performances des systèmes de conversion d’énergie DC-AC ou AC-DC est un enjeu majeur pour réduire la masse des dispositifs, prolonger leur autonomie et améliorer leur compacité. Ce projet de thèse vise à explorer de nouvelles topologies de convertisseurs intégrés innovants en s’appuyant sur un composant émergent : la micro-batterie tout solide.
Après une phase d’analyse système sur deux cas d’application représentatifs — l’un en conversion AC-DC, l’autre en DC-AC — le doctorant identifiera la topologie de conversion la plus adaptée pour des puissances de l’ordre du milliwatt. Cette topologie sera co-optimisée avec une matrice de micro-batteries tout solide disponible, afin de tirer pleinement parti des caractéristiques de ces composants. Le candidat mènera ensuite la conception du circuit, sa fabrication éventuelle et la validation expérimentale de l’approche.
Encadrée par Gaël Pillonnet (CEA-Leti) et Patrick Mercier (University of California), cette thèse s’inscrit dans un environnement de recherche de pointe sur les circuits intégrés pour la gestion de l’énergie (PMIC). Le projet comporte une forte dimension applicative, centrée sur la co-optimisation entre l’électronique de puissance et les composants de micro-stockage dans des dispositifs ultra-compacts, dédiés à l’actionnement de micromoteurs ou à la micro-alimentation à partir du secteur.
Rejoindre notre équipe, c’est participer au développement de technologies de rupture ayant un fort impact potentiel dans les domaines de la santé, de la défense ou de la maintenance prédictive.
Modélisation et caractérisation d’électrodes positives à base de verres pour accumulateurs Li-Ion et Na-Ion
Les cathodes amorphes pour batteries Li-ion connaissent un regain d'intérêt grâce à leurs capacités pratiques pouvant dépasser celles des matériaux cathodiques à base d'oxyde commerciaux conventionnels. Malgré des tensions de cellule légèrement inférieures, cela pourrait conduire à des améliorations significatives de la densité énergétique. Néanmoins, les matériaux cathodiques amorphes connus sont toujours confrontés à de sérieux défis qui les empêchent d'être appliqués dans la pratique : i) Capacité irréversible élevée, ii) Faible conductivité électronique, iii) Cyclabilité limitée, iv) Manque de compréhension des phénomènes impliqués en raison de leur état amorphe, v) Compositions de cathodes vitreuses généralement à base de vanadium toxique.
Dans le but d’acquérir une compréhension plus approfondie de l'influence des métaux de transition, des formateurs de verre et des conditions de synthèse sur les performances électrochimiques du matériau de cathode, une thèse en collaboration avec le CEA (Marcoule et Grenoble) et l’Université Nationale de Singapour est proposée. L’étude visera à combiner différentes approches de simulation et de techniques expérimentales, telles que l’Apprentissage Machine pour concevoir des matériaux cathodiques encore plus performants, la modélisation informatique couplée à des techniques de caractérisation in situ/operando avancées, et enfin l’élaboration et l’évaluation des performances des matériaux synthétisés.
Etude des mécanismes de corrosion des céramiques en milieu chlorures fondus
Le CEA Valduc exploite des procédés mettant en œuvre des sels fondus. Ces sels, à base de chlorures peuvent présenter un caractère corrosif, notamment en présence d’impuretés conduisant à la présence d’oxygène. Cela induit la dégradation des matériaux utilisés dans les procédés. L’étude proposée ici vise à comprendre ces mécanismes de dégradation dans le but de trouver les matériaux qui répondent le mieux aux besoins du CEA Valduc. Au-delà des besoins propres du CEA Valduc, cette étude s’intègre plus largement dans les travaux visant à comprendre et limiter la corrosion dans les milieux fondus à haute température, verrou technologique majeur pour les réacteurs modulaires avancés (AMR) à base sels fondus.
La thèse proposée a pour but d’étudier et de comparer différents matériaux réfractaires au contact de sels de chlorures. Des matériaux de type oxydes (MgO ; Y2O3 ; Ta2O5) ou carbures (TaC) seront étudiés, au contact des sels CaCl2 ; NaCl ; KCl. Il s’agira de mesurer les solubilités de ces éléments dans les différents milieux sels fondus. L’objectif final est d’évaluer le comportement de ces matériaux dans des conditions agressives, et de comprendre les mécanismes de dégradation de ces matériaux.
Plusieurs études ont mis en évidence le rôle prépondérant de la microstructure des matériaux vis-à-vis de la durabilité chimique. La caractérisation initiale des matériaux se fera grâce aux moyens de l’IJL (MEB/MET, DRX). Une étude thermodynamique sur le logiciel FactSage sera également réalisée afin de prédire le comportement des matériaux et les réactions chimiques possibles. Le cœur de la thèse sera constitué des tests de corrosion. Il s’agira de mesurer les constantes de solubilités de ces différents matériaux dans les sels de chlorures et ensuite d’étudier les phénomènes survenant à l’interface sels/matériaux sur des échantillons frittés. La littérature met en évidence l’influence prépondérante de la quantité d’oxygène sur le caractère corrosif des sels fondus. Contrôler finement et mesurer in situ cette quantité est crucial dans le cadre de ces travaux. Pour cela, le-a doctorant-e aura à sa disposition les moyens du CEA permettant de travailler en atmosphère inerte et de réaliser des mesures par électrochimie analytique. Des analyses élémentaires (ICP-AES/MS ; Spectroscopie UV-Vis) post-corrosion dans les sels seront associées aux caractérisations microstructurales des échantillons pour proposer des mécanismes de corrosion sur chaque matériau.
L'ensemble des essais se dérouleront sur le site du CEA Valduc, l'étudiant-e sera ponctuellement amené-e à faire des déplacements sur le site de l'IJL à Nancy.
Etude des mécanismes de dégradation des dispositifs tandem silicium/pérovskite et corrélation avec le comportement en situation opérationnelle
Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques sont devenues l'une des technologies photovoltaïques les plus prometteuses de la dernière décennie, ouvrant la voie au développement de panneaux solaires encore plus efficaces à un coût abordable. Une cellule pérovskite peut être associée à une cellules silicium afin de constituer une cellule tandem avec une absorption lumineuse optimisée. Cette technologie a aujourd’hui atteint un rendement record de 34,9%.
Le laboratoire CEA de Cellules Solaires Tandem (LCT) de l'institut INES développe des cellules solaires tandem silicium/pérovskite. L'un des principaux points bloquants pour la diffusion de cette technologie est la stabilité dans le temps. En effet, la nature ionique de l'absorbeur pérovskite ainsi que différentes problématiques aux interfaces induisent des mécanismes de dégradation, réversibles ou non. Ces problématiques sont fortement liées à l’illumination, à la température ainsi qu’à leur variations (cycles jour/nuit et cycles thermiques).
Le LCT met en œuvre des test accélérés (illumination continue ou cyclique, cyclages thermiques, bias électriques) afin de comprendre les mécanismes de dégradation selon l’architecture de cellule ainsi que pour prédire le comportement en situation réelle sur un toit. Ce dernier aspect est crucial afin de garantir la fiabilité des futurs panneaux tandems commerciaux pour des durées de vie équivalentes à celles des panneaux silicium d’aujourd’hui.
Le(a) candidat(e) réalisera ses propres dispositifs selon l’état de l’art du laboratoire. Ces cellules pourront être encapsulées selon le procédé de référence du laboratoire. Des tests accélérés de stabilité seront menés avec différentes enceintes climatiques au LCT dont une capable d’alterner des cycles jour/nuit, à différentes températures. Cette dernière enceinte permettra d’appliquer des modes de vieillissements accélérés ayant démontrés dans des études récentes leur capacité à reproduire le comportement réel en extérieur. Par ailleurs, le(a) candidat(e) aura la possibilité de modifier la cellule afin d’intégrer des couches dites « passivantes » permettant d’améliorer la stabilité, d’adapter le courant de chaque sous-cellules de la structure tandem, ou encore d’analyser les effets spectraux sur les performances des cellules. Enfin, le(a) candidat(e) bénéficiera de l’expertise du LCT en terme de caractérisation (mesures électriques, photoluminescence, microscopie électronique, XRD, etc..) ainsi que de l’apport de la plateforme nano-caractérisation de Grenoble avec des outils avancés de caractérisation (XPS, cAFM, TOF-SIMS…)
Approches anisotropes en traitement du signal sur graphe. Application aux réseaux de neurones sur graphe.
Le traitement du signal sur graphe repose sur les propriétés d'un opérateur élémentaire généralement associé à une notion de marche aléatoire / processus de diffusion. Une limite de ces approches est que l'opérateur est systématiquement isotrope, propriété qui est transmise à toute notion de filtrage basée dessus. En traitement du signal multidimensionnel (images, vidéo, etc), on utilise au contraire énormément les filtres non-isotropes (voire qui ne prennent en compte qu'une seule direction) ce qui augmente très fortement les possibilités. Ces filtres non-isotropes sont en particulier l'élément de base des réseaux de neurones convolutionnels dont on se doute qu'ils seraient moins performants avec uniquement des filtres isotropes (i.e. réponse impulsionnelle à symétrie circulaire/sphérique). L'isotropie des filtres est à l'heure actuelle aussi considérée comme un frein majeur à l'expressivité des réseaux de neurones convolutionnels sur graphe, qui pourrait être levé à l'aide de constructions non-isotropes de traitement du signal sur graphe. Au-delà des graphes homogènes, les opérateurs utilisés pour le traitement du signal ou les réseaux de neurones sur des graphes bipartites ou plus généralement hétérogènes ont aussi cette propriété d'isotropie où les voisins d'un nœud sont traités de manière identique. Bien qu'il n'y ait pas cette fois de lien évident avec des approches classiques, la notion d'opérateur anisotrope ou directionnel semble là aussi pertinente pour différencier le traitement selon les multiples facettes qui peuvent contribuer à une relation donnée.
Pour aborder la notion de directionnalité dans les graphes, on s'appuiera notamment sur le fait qu'un graphe peut bien souvent être vu comme la discrétisation d'une variété Riemanienne. On étudiera aussi une extension aux graphes bipartites, qui présentent des similarités avec une relation entre deux variétés, ainsi qu'aux graphes hétérogènes qui sont formés de plusieurs relations. Des applications aux réseaux de neurones sur graphes seront envisagées afin d'explorer le gain de flexibilité apporté par la directionnalité.
Réduire la fracture entre spécification expressive et vérification efficace pour l'apprentissage automatique
La vérification formelle de réseaux de neurones se heurte à une double tension entre d’une part,
la capacité à exprimer des spécifications compactes, expressives et décrivant des
propriétés de haut-niveau de systèmes comprenants des composants IA et, d’autre part, la possibilité
effective de traduire ces spécifications aux prouveurs états de l’art.
L'état de l'art présente un ensemble de propriétés dites « globales » qui décrivent des comportements généraux sur le composant IA.
Ces propriétés sont partiellement formalisées mais ne sont à l'heure actuelle pas exprimables dans les langages de spécification standards au sein de la communauté. Elles restent donc pour la plupart théoriques.
Cette thèse se propose de réduire cette tension en proposant une formalisation au sein du langage WhyML de ces propriétés. La compilation efficace de ces propriétés via des techniques de réécriture de graphe automatique seront ensuite investiguées, exploitant des encodages avancés de réseaux de neurones pour la vérification. L'état de l'art n'offrant à l'heure actuelle que peu de travaux sur la comparaison des performances de prouveurs, cette thèse investiguera également ce volet, en s'inspirant des approches de portfolio de prouveurs.
Monitoring long terme et non-invasif des végétaux par spectroscopie dans le MIR
Le LCO (Laboratoire des Capteurs Optiques) développe à la fois des composants de photonique intégrée sur silicium du visible au moyen-infrarouge (sources, guides d'onde, détecteurs), et des capteurs et systèmes innovants. De la recherche technologique amont jusqu'aux transferts industriels, ces capteurs trouvent des applications dans les domaines de l'environnement, de la santé et du domaine sécurité/défense.
Une des thématiques de recherche du laboratoire est l'analyse d'échantillons denses par spectroscopie dans le Moyen Infrarouge par une modalité de détection photoacoustique. Forts de résultats encourageant pour le suivi de paramètres physiologiques sur l'humain, nous souhaitons adapter et étendre ces capteurs au domaine du végétal. Des premières mesures en laboratoire donnent des résultats encourageants, mais leur interprétation, de par la complexité de la mesure et de l'objet d'étude, reste à réaliser. C'est l'objet du travail de thèse que nous proposons.
Pour y parvenir, le candidat établira un programme expérimental avec le support de spécialistes en instrumentation et en biologie végétale. Il aura accès aux ressources matérielles et informatiques du laboratoire, et les capacités de prototypage du CEA-Grenoble.
Au terme du travail de thèse, un résultat possible serait la proposition d'un cas d'application du capteur au suivi des végétaux. Le cas d'application comprendrait un protocole expérimental pour la mise en oeuvre de la mesure, et un modèle permettant de remonter à des paramètres physiologiques du végétal pertinents pour les biologistes.
Etude du comportement en corrosion des matériaux matériaux/revêtements multiéléments complexes en milieux H2SO4 et HNO3
Cette thèse s’inscrit dans le projet CROCUS (miCro laboRatory fOr antiCorrosion solUtion design). Ce projet consiste à développer un micro-laboratoire d’analyse in situ de la corrosion pouvant être mis en ligne avec des procédés de synthèse de matériaux ou revêtements anticorrosion
En testant un large domaine de composition d’alliages par AESEC (technique permet d’accéder à l’électrochimie résolue par éléments), le projet ouvrira ainsi une réelle opportunité de constituer une base de données corrosion dans différents milieux corrosifs, qu’ils soient naturels ou industriels, avec des variabilités de compositions, concentrations, pH et températures.
L’objectif de la thèse proposée, sera d’étudier le comportement en corrosion des de matériaux/revêtements multiéléments complexes, prometteurs en utilisant des techniques électrochimiques de la thèse couplée à l’AESEC.
La première partie de ce travail concerne la détermination des limites d’utilisation de ces alliages prometteurs en fonction de concentration en protons en milieu H2SO4 et HNO3 pour des températures allant de l’ambiante à 80 °C. La passivité de ces alliages en fonction de la concentration en acide sera étudiée à l’aide de techniques électrochimiques (voltampérométrie, impédance, AESEC).
La présence de certains éléments mineurs dans la composition de ces alliages, comme par exemple le molybdène, peut avoir un rôle bénéfique sur le comportement de la corrosion. Pour cela, l’étude des mécanismes de passivation en jeu se fera via, entre autre, l’utilisation de matériaux modèles (Ni-Cr-Mo) et par des techniques électrochimiques (voltamétries cyclique et/ou linéaires, spectroscopie d’impédance, et AESEC) ou d’analyses de surface.
La seconde partie traite la transition entre la passivité et la transpassivité, et en particulier l’apparition ou non de la corrosion intergranulaire (CIG) en fonction des conditions oxydantes (présence d’ions oxydants). L’objectif sera de déterminer les différentes cinétiques (comparaison entre les vitesses de corrosion des grains et des joints de grain), ainsi que valider les modèles mis en place pour l’étude de la CIG des aciers.
Enfin, l’étudiant participera à l’élaboration d’une base de données matériaux pour la corrosion dans des milieux agressifs qu’ils soient naturels ou industriels, de compositions, concentrations, pH, températures, différents permettant alors le développement de nouvelles générations de matériaux ou revêtements résistants à la corrosion par l’utilisation d’outils de conception numérique et d’optimisation par intelligence artificielle.
GenPhi : IA Générative 3D conditionnée par la géométrie, la structure et la physique
L’objectif de la thèse est de concevoir de nouveaux générateurs de modèles 3D basés sur l’intelligence artificielle générative (IAG), capables de produire des formes fidèles, cohérentes et physiquement viables. Alors que la génération 3D est devenue essentielle dans de nombreux domaines, les approches actuelles de génération automatique souffrent de limites en termes de respect des contraintes géométriques, structurelles et physiques. L’objectif est de développer des méthodes permettant d’intégrer, dès la génération, des contraintes liées à la géométrie, à la topologie, à la structure interne, ainsi qu’aux lois physiques, tant stationnaires (équilibre, statique) que dynamiques (cinématique, déformation). L’étude combinera des approches de perception géométrique, d’enrichissement sémantique et de simulation physique afin de produire des modèles 3D robustes, réalistes et directement exploitables sans intervention humaine.
Apprentissage Fédéré Robuste et Sécurisé
L’Apprentissage Fédéré (FL) permet à plusieurs clients d’entraîner ensemble un modèle global sans partager leurs données brutes. Bien que cette approche décentralisée soit particulièrement adaptée aux domaines sensibles à la vie privée, comme la santé ou la finance, elle n’est pas intrinsèquement sécurisée : les mises à jour de modèle peuvent révéler des informations privées, et des clients malveillants (Byzantins) peuvent corrompre l’apprentissage.
Pour faire face à ces défis, deux grandes stratégies sont employées : l’Agrégation Sécurisée, qui préserve la confidentialité en masquant les mises à jour individuelles, et l’Agrégation Robuste, qui filtre les contributions malveillantes. Cependant, ces objectifs peuvent entrer en conflit : les mécanismes de confidentialité peuvent masquer les signes de comportements malveillants, tandis que la robustesse peut nécessiter un accès à des informations sensibles.
De plus, la majorité des travaux se concentrent sur les attaques au niveau des modèles, négligeant les menaces au niveau du protocole, comme les délais de message ou les mises à jour perdues — des comportements fréquents dans des réseaux réels et asynchrones.
Cette thèse vise à explorer le compromis entre confidentialité et robustesse en FL, à identifier des modèles de sécurité réalistes, et à concevoir des protocoles pratiques, sûrs et robustes. L’approche combinera une analyse théorique des garanties possibles et une implémentation de prototypes s’appuyant sur des outils comme le calcul multipartite sécurisé, des primitives cryptographiques et la confidentialité différentielle.