Nous avons développé des capteurs magnétiques, appelés capteurs mixtes, basés sur la combinaison d’une boucle supraconductrice et d’un microcapteur à magnétorésistance géante atteignant une sensibilité de l’ordre du femtoTesla. Ces capteurs ouvrent la possibilité d’explorer un nouveau domaine : la Résonance Magnétique Nucléaire et l’Imagerie par Résonance Magnétique à très bas champ (de l’ordre du milliTesla).



Actuellement un système prototype d’IRM très bas champ tête entière a été réalisé et a montré la pertinence de l’approche. Ce système est actuellement installé a Neurospin dans un laboratoire dédié.

Le but de la thèse sera de développer un appareil proche destiné à l'imagerie du nouveau né afin de répondre à un problème important de monitoring des enfants prématurés. Il s'agira de développer les antennes adaptées, les séquences permettant de mesurer la présence d'ischémies ou d'hémorragies et si possible d'implémenter les approches récentes de deep Learning pour un traitement automatique des images.

Cette thèse se déroulera en collaboration avec les hôpitaux du Kremlin-Bicêtre et de Robert Debré.

Pour certains matériaux qui présentent une réponse magnétique et notamment les aciers, propriétés mécaniques et magnétiques sont corrélées via la microstructure. La mesure des propriétés magnétiques à l’échelle locale pourrait donc permettre d’accéder aux propriétés mécaniques des matériaux de façon non destructive et à une meilleure compréhension de leur microstructure. Afin d’obtenir des contrastes supplémentaires, il est possible d’utiliser la cartographie de la réponse en fréquence à l’application d’un champ magnétique alternatif (susceptibilité magnétique).

Un outil de cartographie magnétique à l’échelle locale a été développé en combinant des capteurs magnétiques magnétoresistifs et un scanner. L’utilisation de l’effet de magnétorésistance géante (GMR) permet de développer des capteurs magnétiques très sensibles, détectant des champs magnétiques de l’ordre du nT/vHz et dont la taille peut être submicronique. La spécificité du système est que trois ou quatre capteurs positionnés sur un support pyramidal scannent la surface afin de mesurer les trois composantes du champ de fuite émis par la surface des matériaux et de réaliser ainsi une cartographie 3D avec une résolution latérale de l’ordre de la dizaine de micromètre.

La thèse consistera en l’adaptation de cet imageur afin de permettre la cartographie de la susceptibilité magnétique de surface de matériaux sur une très large dynamique spectrale (de DC à 100MHz). Outre l’émission du champ AC et l’électronique de détection adaptée, des capteurs à magnétorésistance tunnel (TMR) seront développés et intégrés sur l’imageur. En effet, les capteurs TMRs possèdent une sensibilité meilleure que les GMRs d’un facteur 20 environ à haute fréquence. Les problématiques de contrôle de la distance surface – capteur et de dérives en température seront aussi adressées.

Dans un deuxième temps des échantillons de calibration seront imagés afin d’obtenir les données d’entrées pour le modèle théorique déjà développé et ainsi permettre l’évaluation par simulations des distributions du champ magnétique dans les matériaux ferromagnétiques, dans le but d’interpréter les résultats expérimentaux.

L’étude portera ensuite sur des systèmes d’intérêt particulier. Deux applications sont potentiellement visées : les aciers ferromagnétiques afin de corréler les propriétés magnétiques avec les propriétés mécaniques et avec d’autres techniques de caractérisation comme les mesures de bruit Barkhausen. Le deuxième système concerne l’évaluation de performance de l’imageur et des capteurs développés pour la détection de défauts au bord de pièces métalliques en cours de construction par fabrication additive et notamment la différentiation de zones fusionnées et non fusionnées.

Le sujet de thèse proposé a pour objectifs l’étude et la maîtrise de la dynamique sub-picoseconde de textures multiferroïques présentant un ordre ferroélectrique (FE) et un ordre antiferromagnétique (AF) couplés. Différents types de stimuli seront envisagés tels que des impulsions femtosecondes lumineuses (UV, visible ou infra-rouge), des impulsions teraHertz ou encore des impulsions de courant de spin ultra-rapides. En effet, les matériaux antiferromagnétiques, dont la dynamique intrinsèque est typiquement dans la gamme THz, sont actuellement l’objet d’un net regain d’intérêt grâce aux récentes avancées mettant en évidence l'effet des courants de spin sur le paramètre d'ordre AF. Ce travail de thèse pourrait ouvrir de nouveaux horizons vers un contrôle ultrarapide de l'ordre AF, soit par une approche « tout optique » et/ou utilisant des spins.

La production d’hydrogène par l’électrolyse de l’eau est une approche propre et viable, mais très gourmande en énergie électrique. Pour réduire l’apport en énergie électrique nous étudions la possibilité d’utiliser le rayonnement solaire qui, absorbé par des oxydes semi-conducteurs photosensibles identifiés et optimisés, génère des paires électrons-trous participant aux réactions d’oxydoréduction dans une cellule de photoélectrolyse1,2.

L'hématite est le matériau semi-conducteur prototypique utilisé comme photoanode. L’hématite est très abondante, pas chère ayant un faible impact environnemental, des atouts qui doivent être considérés avec une attention particulière de nos jours. Des progrès importants ont été réalisés pour améliorer les propriétés de l'hématite en vue d'une réaction de photoélectrolyse plus efficace2–5. Néanmoins, par rapport aux matériaux présentant des efficacités les plus élevés6, l’hématite apparaît moins efficace en raison du faible libre parcours moyen des trous2 ainsi qu’à une mauvaise cinétique à l'interface hématite / électrolyte lors de l’oxydation7,8. L'existence d'états de surface empêche un transfert direct de trous dans l'électrolyte lors de l’oxydation de l’eau9. Optimiser la cinétique de surface en contrôlant ces états de surface est donc la clé pour augmenter l'efficacité des photoanodes d’hématite10.

Nous proposons une étude visant à comprendre et à optimiser la cinétique de surface et la stabilité dans le temps des photoanodes à base d'hématite, à la fois à l'échelle macro et nanométrique et dans des conditions de travail réelles, c'est-à-dire pendant la réaction photoélectrochimique. Les nanofils d'hématite seront déposés par voie chimique en solution aqueuse (ACG11). Différents traitements de surface (abrasion ionique, gravure chimique, recuit, fonctionnalisation de surface, etc.) seront testés et analysés pour améliorer la cinétique de surface. Combinant des mesures de spectro-microscopie à rayons X (STXM) et de microscopie électronique (TEM12 et le ESEM13,14) en conditions réels dans une cellule électrochimique dédiée contenant les nanofils d’hématite comme électrode de travail, permettra de quantifier la composition chimique et la structure électronique à l'échelle nanométrique, pendant l’oxydation. Cette approche permettra de mettre en évidence et de quantifier les états de surface responsables de la faible cinétique OER de l’hématite. Les résultats microscopiques seront corrélés à l'activité photoélectrochimique des photoanodes mesurée sur un banc dédié à la mesure du photocourant, à la morphologie de la surface mesurée en AFM et en SEM et au potentiel de surface mesuré en KPFM. In fine, cette étude devrait fournir des solutions précises pour améliorer l'efficacité des photoanodes à base d’hématite pour la photoélectrolyse de l'eau.

1. Fujishima, A. & Honda, K. Nature 238, 37–38 (1972).

2. Krol, R. va de & Grätzel, M. (Springer, 2012).

3. Rioult, M., Magnan, H., Stanescu, D. & Barbier, A. J. Phys. Chem. C 118, (2014).

4. Rioult, M., Stanescu, D., Fonda, E., Barbier, A. & Magnan, H. J. Phys. Chem. C 120, 7482–7490 (2016).

5. Rioult, M., Belkhou, R., Magnan, H., Stanescu, D., Stanescu, S., Maccherozzi, F., Rountree, C. & Barbier, A. Surf. Sci. 641, 310–313 (2015).

6. Kalanoor, B. S., Seo, H. & Kalanur, S. S. Mater. Sci. Energy Technol. 1, 49–62 (2018).

7. Tamirat, A. G., Rick, J., Dubale, A. A., Su, W. N. & Hwang, B. J. Nanoscale Horizons vol. 1 243–267 (2016).

8. Glasscock, J. A., Barnes, P. R. F., Plumb, I. C. & Savvides, N. J. Phys. Chem. C 111, 16477–16488 (2007).

9. Iandolo, B., Wickman, B., Zoric, I. & Hellman, A. J. Mater. Chem. A 3, 16896–16912 (2015).

10. Zhang, J. & Eslava, S. Sustainable Energy and Fuels vol. 3 1351–1364 (2019).

11. Vayssieres, L. International Journal of Nanotechnology vol. 1 1–41 (2004).

12. Ortiz Peña, N., Ihiawakrim, D., Han, M., Lassalle-Kaiser, B., Carenco, S., Sanchez, C., Laberty-Robert, C., Portehault, D. & Ersen, O. ACS Nano 13, 11372–11381 (2019).

13. https://axlr.com/offres-technologies/celdi/.

14. http://www.newtec.fr/fr/celdi/.

Les oxydes dopés N et/ou les oxynitrures constituent une classe de composés en plein essor présentant un large panel de propriétés utilisables, en particulier pour les nouvelles technologies de production d’énergie décarbonnées et pour l’optoélectronique. En effet, l’insertion d’azote dans le réseau cristallin d’un oxyde semi-conducteur permet de moduler la valeur de sa bande interdite et ainsi d’obtenir de nouvelles fonctionnalités. La production de films minces monocristallins correspondants, est un défi important. Dans ce travail de thèse, des oxydes monocristallins dopés N seront élaborés par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasma atomique. Le BaTiO3 fournira la ferroélectricité et un spectre d’absorption favorable, tandis qu’une ferrite ferrimagnétique additionnelle donnera un caractère (opto)multiferroïque artificiel. Les structures résultantes seront étudiées quant à leurs caractéristiques ferroélectriques, leurs couplages magnétoélectriques et optoélectroniques et leurs performances en photo-électrolyse pour la décomposition de l’eau, en fonction du dopage N. Ces observations seront corrélées à une compréhension détaillée des structures cristallines et électroniques.



Le (la) candidat(e) abordera l’ensemble des techniques d’ultra-vide, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, des mesures de magnétométrie et de photo-électrolyse de l’eau, ainsi qu’un large panel de méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés.

Dans le but de caractériser les propriétés magnétiques à l’échelle locale de matériaux magnétiques comme des aciers, des nanoparticules ou des roches magnétiques, un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif a été développé au Laboratoire de Nanomagnétisme et Oxydes. Ce microscope combine un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope) et un capteur magnétique intégré dans un bras de levier AFM. Les capteurs magnétiques utilisés sont des capteurs à magnétorésistance (MR) géante et tunnel, basés sur l’électronique de spin et pouvant détecter des champs magnétiques de l’ordre du nT/vHz. L’AFM permet un contrôle de la hauteur de la pointe et son déplacement, tandis que le capteur MR intégré dans la pointe AFM mesure le champ magnétique à chaque position sur l’échantillon.



Cet outil innovant a été jusqu’ici appliqué à la nanométrologie des champs magnétiques statiques à l’échelle locale. Durant cette thèse le but est d’investiguer d’autres applications possibles en utilisant notamment une propriété spécifique des capteurs MR : leur large gamme de fréquence en détection allant du DC à plusieurs centaines de MHz voire le GHz. Ainsi les propriétés de susceptibilité magnétique de nanoparticules magnétiques uniques pourront être étudiées, notamment dans le cadre de l’utilisation des nanoparticules dans les applications biomédicales par exemple (biopuces, tests bandelette…). Une deuxième application visée est la magnonique ou l’utilisation des ondes de spin (plutôt que des charges) afin de transporter et traiter l’information avec un minimum de pertes d’énergie. Les capteurs MR sont en effet de très bons candidats pour être des détecteurs miniaturisables de ces ondes de spins et permettent leur cartographie.



Dans le cadre de cette thèse, des développements seront nécessaires afin d’optimiser la réponse des capteurs en fonction de l’application visée. Les performances des capteurs seront étudiées en termes de magnétorésistance et de bruit lorsqu’ils sont intégrés dans les bras de levier flexibles. La thèse comportera un aspect microfabrication en salle blanche et un aspect mesures de magnétotransport et de bruit, qui sera réalisé dans la chambre magnétique blindée de la plateforme Ultra Bas Bruit. Le microscope et l’électronique de détection du capteur devront être eux aussi adaptés aux mesures à haute fréquence afin d’exploiter le potentiel du microscope pour des applications innovantes.

La découverte de la supraconductivité à haute température critique dans les cuprates [1] a motivé l'étude d'oxydes ayant une structure cristalline et/ou des propriétés électroniques similaires afin de comprendre les origines de cette supraconductivité non conventionnelle. Les exemples iso-structuraux incluent le ruthénate supraconducteur Sr2RuO4 ou l'iridate Sr2IrO4 dopé en électrons, même si un état de résistance nulle n'a pas encore été observé dans ce dernier composé [2]. Récemment, la supraconductivité dans la phase infinie du nickélate Nd0.8Sr0.2NiO2 [3] a également été observée en utilisant une réaction de chimie douce (réduction topotactique) de la phase pérovskite précurseur Nd0.8Sr0.2NiO3. La découverte de cette phase supraconductrice (autour de 10-15 Kelvin) devrait permettre de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans les supraconducteurs à haute température critique.



Au cours de cette thèse, l’étudiant(e) réalisera l’élaboration de céramiques NdNiO3 pures et substituées (Nd/Sr) ainsi que la croissance cristalline de films minces de NdNiO3 sur différents substrats monocristallins (SrTiO3, LaAlO3, etc) par la technique de l’ablation laser pulsée. Une fois réalisés, l’étudiant(e) testera les traitements de réduction permettant la formation de la phase infinie Nd0.8Sr0.2NiO2. Une attention toute particulière sera accordée aux propriétés structurales et physiques des monocristaux et des couches minces d’oxydes en utilisant in situ la diffraction d’électrons (RHEED), la spectroscopie de photoémission X (XPS/UPS) ou des techniques ex situ telles que la microscopie en champ proche (AFM), le magnétisme (SQUID, VSM). Les propriétés électroniques des échantillons seront ensuite étudiées en fonction de la température (résistivité, coefficient de Hall, caractéristiques courant-tension) afin d'analyser le comportement supraconducteur.



[1] J. G. Bednorz and K. A. Müller, Z. Phys. B 64, 189 (1986).

[2] Y.J. Yan et al., Phys. Rev. X. 5, 041018 (2015).

[3] D. Li et al. Nature. 572, 624 (2019).

L’hydrogène est un excellent vecteur d’énergie à haute densité énergétique massique, de plus c’est un élément essentiel pour convertir le CO2 excédentaire en carburant. Il peut être fabriqué de manière décarbonnée par photo-électrolyse de l’eau en utilisant l’énergie solaire. Les photo-anodes les plus pertinentes sont obtenues avec des oxydes métalliques. Toutefois, la majorité des oxydes ont des gaps trop grands pour absorber efficacement le spectre solaire.

Dans la thèse expérimentale proposée, nous proposons de réaliser une nouvelle classe de matériau : des photoélectrodes à base d’oxynitrure. L’ajout d’azote dans la maille d’oxyde est de nature à permettre une réduction du gap pour le faire tendre vers la valeur idéale pour l’absorption du spectre solaire, mais pour des taux de dopage élevés il induit un déséquilibre des charges qu’il est nécessaire de compenser par l’ajout d’un élément chimique supplémentaire dans la maille. Pour cette étude, nous étudierons des échantillons modèles préparés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique et d’azote atomique. Le but de cette étude est de déterminer, d'un point de vue fondamental, le rôle du taux d’azote et des éléments chimiques de compensation dans différents oxydes (TiO2, BaTiO3…), leur influence sur la structure électronique, sur l'absorption du spectre solaire et sur le photo-courant, mais aussi les changements de la structure cristallographiques. Cette thèse vise la réalisation et l’étude d’une nouvelle classe de photoélectrodes susceptible d’améliorer considérablement les procédés de production d’hydrogène.

La consommation énergétique mondiale divergente et les ressources limitées sont des problèmes importants que la prochaine génération de technologies doit absolument résoudre pour atteindre une croissance durable. Une réduction de l'utilisation des matériaux peut être obtenue en réalisant des hétérostructures laminaires nanométriques multifonctionnelles faciles à recycler. Dans ce travail, nous considérerons des hétérostructures multiferroïques artificielles à base d’oxydes comprenant une couche ferroélectrique et une autre ferrimagnétique. On réalisera une nanolithographie en utilisant une pointe de microscopie à force piézoélectrique (PFM), pour créer des canaux de conduction intégrés dans un matériau par ailleurs isolant. Nous souhaitons réaliser, exploiter et comprendre les phénomènes de conduction d'interface et de piégeage de charge locale à de telles interfaces pour réaliser des nano-circuits fonctionnels et les étudier dans des conditions réelles. Le travail de thèse proposé repose sur une étroite collaboration entre le CEA / SPEC, le synchrotron SOLEIL et le CEMES et est financé dans le cadre d'un projet ANR en cours. On réalisera au CEA/SPEC l'élaboration des échantillons monocristallins par épitaxie par jet moléculaire assistée par plasma d'oxygène atomique, les écritures PFM et les procédés de lithographie. Le comportement local de ces échantillons, y compris dans des conditions de fonctionnement, sera examiné à l'aide des techniques de rayonnement synchrotron les plus avancées et notamment la spectromicroscopie, la diffraction et l'absorption des rayons X, respectivement sur les lignes de lumière HERMES, DIFFABS et LUCIA dans une approche collaborative et complémentaire aux prédictions théoriques DFT réalisées au CEMES. L'étudiant acquerra des compétences dans les techniques de vide ultra-élevé, l'épitaxie par faisceau moléculaire, la magnétométrie, les microscopies en champ proche, la lithographie ainsi que dans les techniques de rayonnement synchrotron de pointe mentionnées ci-dessus.

Les courants de spin purs jouent un rôle majeur dans la spintronique moderne. Maîtriser leur transport à des échelles de temps ultracourtes (sub-picoseconde) représente une des briques fondamentales pour étendre les concepts de la spintronique au domaine terahertz. L'objectif principal de cette thèse est l’étude du transport ultrarapide de l’information de spin à travers des isolants antiferromagnétiques (AF). Ces matériaux suscitent désormais un intérêt considérable, principalement en raison de leurs capacités ultrarapides. Nous proposons ici d'explorer les différentes caractéristiques du transport terahertz courant de spin pur dans les antiferromagnétiques en utilisant des techniques d'optique résolues en temps (magnéto-optique et seconde harmonique génération) et de spectroscopie teraHertz.