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Univ. Paris-Saclay

Les sujets de thèses

19 sujets IRAMIS

Dernière mise à jour : 24-07-2019


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• Physique du solide, surfaces et interfaces

 

Compréhension de l’évolution de la ténacité des zones de démixtion avec des simulations de dynamique moléculaire

SL-DRF-19-0033

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Cindy ROUNTREE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Cindy ROUNTREE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

+33 1 69 08 26 55

Directeur de thèse :

Cindy ROUNTREE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

+33 1 69 08 26 55

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/cindy.rountree/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/index.php

Ce projet de recherche fondamentale et appliquée est motivé par la nécessité de prédire, contrôler et d’améliorer la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes sont utilisés pour de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) soumises à d’amener un endommagement générant une apparition et une propagation lente de fissure (Corrosion Sous Contrainte, CSC).



Des études récentes [1-3] ont dévoilé une méthode très innovante pour améliorer la réponse en corrosion sous contrainte qui consiste à irradier électroniquement le matériau. Cependant, l’irradiation par électrons engendre des zones de démixtion. La question qu’on se propose de résoudre ici est de vérifier si l’apparition de zone de démixtion (APS, Amorphous Phase Separation) est bien responsable de l’amélioration comportement en corrosion sous contrainte, puis de l’étudier pour ensuite augmenter la tenue en service des verres.



Le doctorat devra étudier les propriétés physiques, mécaniques et rupture des verres avec APS avec des simulations de dynamique moléculaire. L'objectif principal étant d'étudier les propriétés physiques et comment il change les propriétés de rupture dans des verres avec APS. Cela fournira des informations sur le comportement de la fissure en fonction des différentes phases présentes dans les verres avec APS.



Cette méthode a déjà été utilisée dans nos équipes de recherche pour étudier la fracture dynamique en fonction de la vitesse de propagation de la fissure dans de la silice pure (SiO2). L’utilisation de ces DM pour l’étude du comportement en CSC de verres SBN APS aidera à comprendre comment la structure physique des verres modifie les propriétés mécaniques. Le doctorant sera donc amené à utiliser différents systèmes de HPC (in-house et les supercalculateurs). Le but étant de corréler les mécanismes de fissuration des verres avec d’autres propriétés macroscopiques, mesoscopiques, et microscopiques.



Sur le plan logistique, le candidat sera encadré par C.L. Rountree au CEA. En conclusion, le thème de ce projet est la compréhension de la source des changements dans la propriété macroscopique, et en particulier comment contrôler les propriétés de fissuration en CSC en faisant varier la structure des verres via l’apparition de zone de démixtion (APS).

Contrôle électromécanique de parois de domaines topologiques en surface

SL-DRF-19-0384

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Laboratoire d'Etude des NanoStructures et Imagerie de Surface (LENSIS)

Saclay

Contact :

Nicholas BARRETT

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Nicholas BARRETT

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LENSIS

0169083272

Directeur de thèse :

Nicholas BARRETT

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LENSIS

0169083272

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/87/nick.barrett.html

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2075

Dans les matériaux ferroélectriques ou ferroélastiques, des domaines se forment pour minimiser les contributions électrostatiques et mécaniques à l’énergie libre du système, séparés par des parois de domaines (DWs). DWs rompt la symétrie et démontre des propriétés «étonnantes et très différentes par rapport aux matériaux de volume, dont la conductivité, la supraconductivité et la polarité. En conséquence, elles pourraient constituer un nouveau paradigme pour la nanoélectronique dans lequel la paroi devient l’élément actif du dispositif. Une structure polaire ou conductrice bidimensionnelle et commutable dans un milieu diélectrique ouvrirait une voie vers le stockage d’information à très haute densité et à basse consommation d’énergie. La thèse s’adressera aux parois entre domaines ferroélastiques et ferroélectriques.

Des monocristaux massifs ferroélectriques (BaTiO3), ferroélastiques (CaTiO3) et des films épitaxie ales (BaTiO3, PbTiO3 et CaTiO3) seront étudiés. La microscopie à électrons à basse énergie ou en photoémission sera utilisée pour imager la topographie électrique, la chimie locale et la structure électronique des parois de domaines. Des dispositifs pour l’imagerie des parois en fonction du stress mécanique ou champ électrique seront employés pour des expériences in operando. En collaboration avec le Prof. Ekhard Salje de l’université de Cambridge, un modèle mécanique sera développé pour simuler l’émergence de polarité à partir des gradients de contrainte.

Dispositifs opto-electroniques hybrides à base de nanotubes de carbone pour la photonique sur silicium

SL-DRF-19-0721

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Innovation, Chimie des Surfaces Et Nanosciences (LICSEN)

Saclay

Contact :

Arianna FILORAMO

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Arianna FILORAMO

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LICSEN

01-69-08-86-35

Directeur de thèse :

Arianna FILORAMO

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LICSEN

01-69-08-86-35

Page perso : http://iramis.cea.fr/nimbe/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=filoramo

Labo : http://iramis.cea.fr/nimbe/LICSEN/

Les nanotubes de carbone mono-paroi présentent des propriétés électroniques remarquables, qui ont fait l’objet d’études intensives aussi bien en recherche fondamentale que pour leurs applications en nanoélectronique. Plus récemment, avec le développement d’une meilleure maitrise du matériau d’autres perspectives et champs d’applications se sont ouverts. C'est notamment le cas en optique et en optoélectronique où les nanotubes de carbone constituent un matériau de choix.



Les nanotubes de carbone présentent en effet des transitions optiques dont l'énergie varie en fonction de leur diamètre et de leur chiralité et qui se situent généralement dans le proche infrarouge [1, 2]. Cette caractéristique combinée à leurs propriétés électriques exceptionnelles fait que les dispositifs optoélectroniques à base de nanotubes de carbone suscitent beaucoup d’intérêt [3, 4, 5]. Ces dispositifs permettraient d’envisager une avancée décisive pour les futurs circuits intégrés en combinant des propriétés électriques et des propriétés optiques/optoélectroniques/opto-mécaniques dans un seul type de matériau. Dans ce projet associant le laboratoire LICSEN de la DRF et le laboratoire LCO de la DRT, nous comptons tout d’abord contribuer à cette thématique par l’étude des propriétés d’électroluminescence et de photo-courant de nanotubes triés en chiralité [6-14]. La compréhension de ces phénomènes est primordiale pour réaliser des photo-détecteurs et des LEDs performantes, voire des sources de type laser.



Nous considèrerons ensuite plus particulièrement les dispositifs hybrides opto-électro-mécaniques et nous les intégrerons dans une plateforme photonique silicium. Le LICSEN (DRF) est très bien positionné sur la thématique des nanotubes de carbone et le LCO (DRT) est un expert reconnu dans le domaine de l’électromécanique, de la photonique et plus récemment dans celui de l’opto-mécanique.



[1] S. M. Bachilo et al. Science 298, 2361 (2002) ;

[2] O’Connell M. J. et al., Science 297, 593 (2002) ;

[3] Freitag et al., NanoLetter 6, 1425 (2006) ;

[4] Mueller et al., NatureNanotech. 5, 27 (2010) ;

[5] S.Wang et al. Nano Letter 11, 23 (2011);

[6] Nish, A. et al. Nat. Nanotechnol. 2, 640 (2007) ;

[7] Chen, F. et al. Nano Lett. 7, 3013 (2007) ;

[8] Nish, A. et al. Nanotechnology 19, 095603 (2008) ;

[9] Hwang, J.-Y. et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 3543-3553 (2008) ;

[10] Gaufrès E. et al., Appl. Phys. Lett. 96, 231105 (2010) ;

[11] Gao, J. et al. Carbon 49, 333 (2011);

[12] Tange M. et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 4, 6458 (2012)

[13] Sarti F. et al Nano Research 9, 2478 (2016)

[14] Balestrieri M. et al Advanced Functional Materials 1702341 (2017).

Dynamique de l’aimantation de nanostructures dans des régimes fortement hors-équilibre

SL-DRF-19-0955

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (LNO)

Saclay

Contact :

Grégoire de Loubens

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Grégoire de Loubens

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 71 60

Directeur de thèse :

Grégoire de Loubens

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 71 60

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/gregoire.deloubens

Labo : https://www.speclno.org

Ce sujet de thèse consiste à étudier, comprendre et contrôler les régimes linéaires et non-linéaires de la dynamique de l'aimantation dans des nanostructures individuelles de matériaux magnétiques présentant un très faible amortissement. Pour cela, une technique originale de champ proche développée dans le laboratoire d’accueil pour détecter la dynamique de spin à l’échelle nanométrique sera employée pour mener les expériences, et des outils analytiques et des simulations micromagnétiques seront utilisés pour leur interprétation. Ce travail s'insère dans le cadre d'un projet ANR dont le but est de démontrer la manipulation d'ondes de spin cohérentes et de forte amplitude dans des dispositifs combinant des concepts de la magnonique et de l'électronique de spin.



Mots clés : dynamique de l'aimantation; nanomagnétisme; spintronique; magnonique ; systèmes dynamiques non-linéaires

Méthodes : microscopie à force magnétique ; techniques hyperfréquences ; simulations micromagnétiques

Détection d'objets biologiques submicroniques à l'aide d'un laboratoire sur puce à base de capteurs à Magnétorésistance Géante

SL-DRF-19-0361

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (LNO)

Saclay

Contact :

Guenaelle Jasmin-Lebras

Stéphanie SIMON

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-02-2018

Contact :

Guenaelle Jasmin-Lebras

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 65 35

Directeur de thèse :

Stéphanie SIMON

CEA - DRF/Joliot/DMTS/SPI/LERI

01 69 08 77 04

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/guenaelle.jasmin-lebras/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/LNO/

Le développement de techniques de diagnostic précoce est un vrai défi dans le domaine médical ou de la défense. Il s’agit d’obtenir un outil capable de détecter rapidement, de façon simple, sensible et spécifique, différents objets biologiques rares en réponse à un besoin d’urgence de diagnostic clinique et/ou de biosécurité. L’approche proposée par le LERI et le LNO est en cela très innovante. Elle est basée sur la combinaison d’un marquage spécifique des anticorps développés au LERI avec des nanoparticules magnétiques et leur détection dynamique avec des capteurs magnétiques très sensibles à base d’électronique de spin. Ce sujet fait actuellement l’objet d’une thèse, qui a permis d’apporter la preuve de concept de la spécificité du test en étudiant un modèle de lignée de cellules de myélome murin. Un nouveau dispositif plus performant, avec des capteurs de part et d’autre du canal microfluidique, a été développé et fabriqué. Au cours de cette nouvelle thèse qui sera réalisée en collaboration avec le LERI, il s’agira de montrer que ce laboratoire sur puce est capable d’atteindre des performances suffisantes pour détecter des objets biologiques de plus petite taille, les bactéries. Le LERI dispose d’ores et déjà d’anticorps dirigés contre différentes bactéries (spores de bactéries gram(+) de Bacillus thuringiensis, bactérie gram(-) Salmonella Typhimurium) qui serviront de modèles d’étude de bactéries de la menace biologique. Au LERI, l'étudiant fonctionnalisera des particules magnétiques avec divers anticorps dirigés contre ces bactéries.

Au LNO, l’étudiant aura pour objectif de développer des laboratoires sur puce et évaluer leurs performances et robustesses. Il devra apprendre à les fabriquer avec les différentes techniques disponibles dans le service (salle blanche, découpe laser, machines de dépôts). Il devra concevoir un dispositif blindé transportable contre le bruit magnétique afin d’effectuer les mesures au LERI dans un environnement de haute sécurité microbiologique de niveau 2. Il adaptera les programmes de simulation et d’acquisition à la détection simultanée d’une bactérie par deux capteurs

Etude des propriétés électroniques de nanomatériaux semiconducteurs bidimensionnels

SL-DRF-19-0735

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Innovation, Chimie des Surfaces Et Nanosciences (LICSEN)

Saclay

Contact :

Vincent DERYCKE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Vincent DERYCKE

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LICSEN

0169085565

Directeur de thèse :

Vincent DERYCKE

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LICSEN

0169085565

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/vincent.derycke/

Labo : http://iramis.cea.fr/nimbe/licsen/

Les matériaux bidimensionnels (graphène, phosphorène, monocouches atomiques de BN, etc.), c’est-à-dire dont l'épaisseur est de dimension atomique, font l'objet de très nombreuses études depuis 2004. Parmi eux, les matériaux 2D semiconducteurs comme les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (MoS2, MoSe2, WS2…) présentent un fort potentiel pour d'éventuelles applications dans les domaines de l'électronique et de l'optique ou dans le domaine des nouveaux matériaux pour l'énergie (le MoS2 est par exemple un excellent catalyseur pour la production d'hydrogène). Ces matériaux peuvent exister à l'état naturel et/ou être synthétisés en laboratoire, notamment par CVD (chemical vapor deposition). Dans les deux cas, les matériaux 2D présentent des inhomogénéités (bords, défauts, plis, lacunes, double-couches, etc.). Or à cette échelle, ces défauts peuvent impacter de façon drastique les propriétés (la mobilité des charges, le rendement de luminescence, l'efficacité catalytique, etc.). Il est donc important d'étudier ces propriétés par des techniques locales permettant de comprendre le rôle de ces inhomogénéités et d'en diminuer ou d'en maximiser l'impact suivant les cas. Dans ce contexte, le laboratoire LICSEN de l'UMR NIMBE synthétise du MoS2 monocouche et en étudie les propriétés électroniques au sein de dispositifs de type transistors à effet de champ ainsi que les propriétés électro-catalytiques par électrochimie. Dans ce projet de thèse, réalisé en étroite collaboration avec d'autres partenaires académiques, nous souhaitons développer de nouvelles méthodes pour l'étude des propriétés locales de ces semiconducteurs ultra-minces en utilisant notamment la microscopie à fort contraste sur couches antireflets [1,2] et des techniques de microscopie en champ-proche (EFM, KPFM) couplant observations et mesures électriques.



[1] Campidelli et al., Backside absorbing layer microscopy: Watching graphene chemistry, Science Advances 3, e1601724 (2017).

[2] Jaouen et al., Ideal optical contrast for 2D materials observation using antireflection absorbing substrates, soumis

Etude du comportement en rupture de métamatériaux mécaniques dont la structure s’inspire de celle des os

SL-DRF-19-0465

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Daniel BONAMY

Date souhaitée pour le début de la thèse :

Contact :

Daniel BONAMY

CEA - DSM/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169082114

Directeur de thèse :

Daniel BONAMY

CEA - DSM/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169082114

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/2/daniel.bonamy.html

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

La recherche de matériaux combinant légèreté et résistance mécanique est un domaine en plein essor, tiré, dans le domaine du transport notamment par la volonté de réduire les émissions de CO2 et de développer des véhicules économes en carburant. Des progrès importants ont été accomplis récemment ; les méta-matériaux ou matériaux architecturés offre dans ce contexte un potentiel considérable (e.g micro-lattice inventé au Caltech et produit par Boeing).



L’idée proposée ici vise à obtenir une nouvelle classe de matériaux en introduisant une porosité invariante d’échelle (fractale) s’inspirant de la structure osseuse. Il s’agira aussi de regarder comment une telle structure poreuse se répercute en terme de "risques", i.e. de fluctuations statistiques autour du comportement moyen. L’objectif final est d’arriver à des outils de rationalisation rigoureux permettant de définir un/des optimums en termes de légèreté, résistance à la fissuration, et risques (au sens défini ci-dessus).



Nos recherches précédentes nous ont permis de développer un formalisme nouveau, à l’interface entre mécanique des milieux continus et physique statistique, capable de prendre en compte explicitement (dans des cas simples) les inhomogénéités de structure et de prédire les aspects statistiques induits sur le comportement en rupture. Il s’agira d’adapter ce formalisme au cas de porosité fractale. L’étude s’appuiera sur des approches numériques de type "Random Lattice model" de complexité croissante. Une attention particulière sera portée sur une caractérisation propre des fluctuations statistiques autour du comportement en rupture moyen. L’approche sera ensuite qualifiée au travers d’expériences menées sur des échantillons de porosité fractale obtenues par impression additive, puis cassées au moyen d’un dispositif expérimental original développé dans notre laboratoire et donnant accès à la ténacité et ses fluctuations statistiques.



Ce sujet de thèse met en jeux des notions appartenant à la fois à la physique statistique, l’ingénierie mécanique et la science des matériaux. Le candidat aura donc l’opportunité de manipuler les outils théoriques et expérimentaux utilisés dans ces trois domaines. Une collaboration avec le laboratoire FAST à Orsay est prévue. Enfin, le caractère à la fois très fondamental et appliqué de cette recherche permettra au candidat de trouver à l’issue de la thèse des débouchés dans le monde académique et dans l’industrie.

Etude in operando de microstructures multiferroïques encapsulées de type ferrite - pérovskite

SL-DRF-19-0808

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (LNO)

Saclay

Contact :

Antoine BARBIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Antoine BARBIER

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01.69.08.39.23

Directeur de thèse :

Antoine BARBIER

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01.69.08.39.23

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/137/antoine.barbier.html

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/LNO/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2545&id_unit=9&id_groupe=179

Les oxydes ferroélectriques de structure pérovskite couplés à des ferrites magnétiques appartiennent à la nouvelle classe de matériaux multiferroïques artificiels. Ils suscitent un vif intérêt dans le domaine des applications liées à la spintronique et à la conversion de l’énergie. La nature du couplage, en particulier en condition d’opération sous stimulation d’un champ externe, reste largement inexplorée. La thèse proposée s’inscrit dans le cadre d’une collaboration forte entre le CEA/SPEC et synchrotron SOLEIL (ligne de lumière HERMES). On réalisera des inclusions monocristallines de ferrites dans un film pérovskite par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique au CEA ou par traitement thermique. Le comportement de ces inclusions sera déterminé en fonctionnement et en utilisant des méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés et plus particulièrement la spectromicroscopie, l’absorption, la diffraction des rayons X et le dichroïsme magnétique sur les lignes de lumières HERMES, DIFFABS et DEIMOS du synchrotron SOLEIL dans une approche collaborative. Le (la) candidate abordera l’ensemble des techniques d’ultra-vide, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, des mesures de magnétométrie ainsi qu’un large panel de méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés.

Etude théorique des transports couplés des électrons et de la chaleur pour concevoir des matériaux thermoélectriques à température ambiante

SL-DRF-19-0533

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire des Solides Irradiés (LSI)

Laboratoire des Solides Irradiés (LSI)

Saclay

Contact :

Nathalie VAST

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Nathalie VAST

CEA - DRF/IRAMIS/LSI/LSI

01 69 33 45 51

Directeur de thèse :

Nathalie VAST

CEA - DRF/IRAMIS/LSI/LSI

01 69 33 45 51

Page perso : https://www.polytechnique.edu/annuaire/fr/users/nathalie.vast

Labo : https://portail.polytechnique.edu/lsi/fr/recherche/theorie-de-la-science-des-materiaux

La thermoélectricité est une solution possible pour la production d’énergie électrique (effet Seebeck) et pour le refroidissement nanodispositifs (effet Peltier), évitant leur surchauffe. De nouveaux efforts scientifiques et technologiques sont cependant nécessaires pour trouver des matériaux peu coûteux et efficaces afin de développer l’utilisation de ces dispositifs thermoélectriques et pour un fonctionnement à température ambiante. Les simulations numériques, cœur des méthodes qui seront utilisées au cours de ce travail de thèse, sont un outil précieux pour atteindre cet objectif.



La méthode théorique permettant de montrer l’effet de la nanostructuration sur le facteur de mérite ZT devra être développée, tandis que sera fourni un outil de simulation intégré permettant d’évaluer à la fois les contributions de la traînée de diffusion et de la traînée de phonon au coefficient de Seebeck, c’est-à-dire la contribution due au couplage avec les phonons. Cette approche totalement ab initio sera appliquée au germanium (abondant et non toxique) et au bismuth (matériau parmi ceux présentant le coefficient de Seebeck le plus élevé), ce qui permettra d'obtenir une description sans paramètre de la thermoélectricité pour ces matériaux, leurs nanostructures et leurs composés (Si- Alliages de Ge et Bi2Te3).



Les équations de transport de Boltzmann (BTE) pour les électrons et les phonons, qui sont couplées par l'interaction électron-phonon, seront résolues au-delà des approximations standard. L’anharmonicité phonon-phonon et la diffusion de phonons avec des surfaces et des interfaces dans des nanostructures seront prises en compte, dans le but d'ajuster la distribution de phonons afin d’accroître l’effet thermoélectrique. Le couplage électron-phonon sera calculé selon une méthode récente interpolation dans l'espace de Wannier. Enfin, les résultats basés sur la DFT pour le couplage électron-phonon seront couplés à un code de transport de Monte Carlo, ouvrant même la possibilité de modéliser des nano-dispositifs complexes à partir des matériaux qui seront théoriquement étudiés.

Etudes théoriques des propriétés physiques et optiques d'oxydes de titane pour des applications de capteur de gaz

SL-DRF-19-0532

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire des Solides Irradiés (LSI)

Laboratoire des Solides Irradiés (LSI)

Saclay

Contact :

Nathalie VAST

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Nathalie VAST

CEA - DRF/IRAMIS/LSI/LSI

01 69 33 45 51

Directeur de thèse :

Nathalie VAST

CEA - DRF/IRAMIS/LSI/LSI

01 69 33 45 51

Page perso : https://www.polytechnique.edu/annuaire/fr/users/nathalie.vast

Labo : https://portail.polytechnique.edu/lsi/fr/recherche/theorie-de-la-science-des-materiaux

Sous les auspices de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC), la communauté internationale s'est engagée dans le développement de la politique de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) afin de limiter les risques du changement climatique. Dans ce cadre et afin de d'avoir le meilleur suivi des concentrations en GES, il est important de développer un capteur haute performance et basse consommation adapté. Une méthode couramment utilisée pour mesurer la concentration de gaz consiste à utiliser des oxydes métalliques semi-conducteurs tels que SnO2, ZnO et TiO2. Certains modèles insistent sur l’importance du transfert de charge dans le mécanisme de détection, mais une étude à partir de premiers principes, incluant le couplage électronique avec phonons, est nécessaire pour mieux comprendre et de façon quantitative le processus d'adsorption du gaz et la réponse optique résultante du système.



Le couplage électron-phonon et la réponse optique d'un dispositif de capteur de gaz seront ainsi modélisées par les méthodes de la théorie fonctionnelle de la densité en fonction du temps, pour lesquelles l'équipe hôte a développé une expertise. Les simulations numériques seront effectuées avec le progiciel Quantum ESPRESSO. Une partie du projet consistera à développer les implémentations théoriques et numériques nécessaires. Le sujet demande ainsi que le candidat soit très motivé par la modélisation, l’informatique et la programmation.

Matériau multifonctionnel pour la transition énergétique et l'opto-spintronique, à base de BaTiO3 dopé azote

SL-DRF-19-0483

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (LNO)

Saclay

Contact :

Antoine BARBIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Antoine BARBIER

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01.69.08.39.23

Directeur de thèse :

Antoine BARBIER

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01.69.08.39.23

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/antoine.barbier/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/LNO/

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.

Photo-électrolyse de l’eau assistée par un potentiel interne

SL-DRF-19-0755

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (LNO)

Saclay

Contact :

Hélène MAGNAN

Antoine BARBIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Hélène MAGNAN

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 94 04

Directeur de thèse :

Antoine BARBIER

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01.69.08.39.23

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/helene.magnan/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/LNO/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=1996&id_unit=0&id_groupe=196

La photo-électrolyse de l’eau permet la production directe d’hydrogène, en utilisant l’énergie solaire. Les photo-anodes les plus performantes sont obtenues avec des oxydes métalliques. Toutefois, à ce jour, aucun oxyde semi-conducteur simple ne réunit toutes les propriétés de photo-anode nécessaires pour permettre une production raisonnable d’hydrogène par ce procédé.



Dans la thèse expérimentale proposée, nous proposons d’utiliser la polarisation électrique d’un ferroélectrique pour exalter la séparation de charge dans les photoanodes. Pour cette étude, nous étudierons des échantillons modèles préparés par épitaxie par jets moléculaires et étudierons l’influence de l’orientation de la polarisation électrique (vers le haut, vers le bas, non polarisé et multi domaines) sur l’efficacité pour la photo-électrolyse. De plus, afin de comprendre le rôle exact de la polarisation, nous mesurerons en utilisant le rayonnement synchrotron, la durée de vie de la paire électron-trou et la structure électronique pour les différents états de polarisation. Cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche collaboratif entre le CEA, le synchrotron SOLEIL et avec l’université de Bourgogne pour la modélisation des systèmes étudiés.

Photoélectrodes à base d’hématite pour la photoélectrolyse de l’eau à faible consommation électrique

SL-DRF-19-0476

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (LNO)

Saclay

Contact :

Dana STANESCU

Gheorghe Sorin Chiuzbaian

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Dana STANESCU

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 75 48

Directeur de thèse :

Gheorghe Sorin Chiuzbaian

Université Sorbonne, Université Pierre et Marie Curie - Laboratoire de Chimie Physique Matière et Rayonnement

+33 1 44 27 66 15

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/dana.stanescu/

Labo : https://speclno.org/oxide%20nanorod.php

Voir aussi : https://www.synchrotron-soleil.fr/fr/lignes-de-lumiere/HERMES

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est une approche propre et viable, mais très gourmande en énergie électrique, afin de franchir le potentiel d’oxydoréduction de l’eau. Pour réduire l’apport en énergie électrique nous étudions la possibilité d’utiliser le rayonnement solaire qui, absorbé par des oxydes semi-conducteurs identifiés et optimisés, génère des paires électrons-trous qui vont participer aux réactions d’oxydoréduction dans une cellule de photo-électrolyse. En associant une photo-anode et une photo-cathode en configuration tandem permettra dans l’idéal de s’affranchir complètement du potentiel électrique externe nécessaire pour initier la réaction.



Pour cette thèse nous proposons d’étudier, dans le but d’optimiser, des photo-électrodes à base d’hématite obtenus par voie chimique en solution aqueuse. Cette méthode nous permet d’obtenir des films nanostructurés sous forme de nano-bâtonnets orientés perpendiculairement au substrat. Les photo-anodes et les photocathodes seront obtenues en dopant l’hématite avec du Ti et Mg ou Zn, respectivement. L’activité photo-électrochimique sera corroborée avec la morphologie utilisant des techniques comme le SEM et l’AFM, ou encore avec le potentiel de surface déterminé utilisant le KPFM. De plus, une approche micro-spectroscopique utilisant le STXM de la ligne de lumière HERMES au Synchrotron SOLEIL, permettra de sonder à une échelle nanométrique la composition chimique et la structure électronique des photo-électrodes. De cette manière l’origine microscopique des propriétés de photoconduction sera discernée, nous indiquant les directions pour agir sur les paramètres physico-chimiques cruciaux menant à l’optimisation des photo-électrodes.

Propriétés magnétoélectriques linéaires et multiferroiques dans les composés antiferromagnétiques A4A'2O9

SL-DRF-19-0539

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire Léon Brillouin (LLB)

Groupe Diffraction Poudres (GDP)

Saclay

Contact :

Françoise Damay

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Françoise Damay

CEA - DRF/IRAMIS/LLB/GDP

0169084954

Directeur de thèse :

Françoise Damay

CEA - DRF/IRAMIS/LLB/GDP

0169084954

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/francoise.damay/

Labo : http://www-llb.cea.fr/

Le contexte général du sujet de thèse proposé est la recherche de matériaux multiferroïques, c'est à dire présentant un couplage entre ordre magnétique et polarisation électrique, qui permet de manipuler l'aimantation avec un champ électrique ou la polarisation électrique avec un champ magnétique.



Le travail de thèse a pour but d'étudier et comprendre les propriétés magnétoélectriques et multiferroïques d'une famille de composés prometteurs, à savoir les niobiates et tantalates de métaux de transition A4A'2O9. Dans des travaux de 2018, il a été mis en évidence par exemple que Fe4Ta2O9 est multiferroïque en dessous de 30K, mais magnétoélectrique linéaire entre 30K et 85K, ce qui suggère différents types de mécanismes de couplage à élucider. Les techniques expérimentales utilisées seront en particulier aimantation, constante diélectrique et polarisation électrique, associées à de la diffraction de RX et de neutrons en fonction de la température, afin de préciser les relations entre structures cristallines et magnétiques, et propriétés physiques.

Simulation ab initio de phénomènes de transport dans des jonctions à l’échelle atomique

SL-DRF-19-0723

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Groupe Mésocopie Modélisation et Thermoélectricité (GMT)

Saclay

Contact :

Alexander SMOGUNOV

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Alexander SMOGUNOV

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/GMT

0169083032

Directeur de thèse :

Alexander SMOGUNOV

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/GMT

0169083032

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/alexander.smogunov/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/GMT

La thèse est dédiée au développement de code pour étudier théoriquement des phénomènes de transport dans des systèmes ouverts quantiques de taille nanométrique, constitués de deux réservoirs macroscopiques connectés par une jonction à l’échelle atomique – sujet de très grand intérêt du point de vue fondamental mais aussi pour des applications technologiques.



Les électrodes macroscopiques peuvent être constituées par des surfaces (magnétiques) métalliques ou par des plans de matériaux bidimensionnels (tels que le graphène) et la jonction réalisée par une chaîne atomique ou une molécule (magnétique) unique. Plusieurs types de canaux de transport dans le système, comme par exemple une propagation d’électrons ou de phonons, vont être traités de façon unique en utilisant une approche quantique de fonctions de Green hors équilibre [1]. Le code s'appuiera sur un modèle réaliste de liaisons fortes avec les paramètres nécessaires qui seront extraits des calculs ab initio dans le cadre de la DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité). Comme outil principal de DFT nous allons utiliser le package Quantum ESPRESSO (QE) [2] – un des codes de structure électronique les plus précis à base d’ondes planes. Notre code va généraliser le code de transport quantique PWCOND [3] (qui est inclus dans QE) dans le but d’être appliqué aux phénomènes de transport d’un point de vue général, et de traiter des systèmes quantiques de plus grande échelle. Il va permettre en particulier de calculer des courants électriques et thermiques en fonction d’un voltage appliqué ou d’un gradient de température, et ainsi d'explorer différents effets thermoélectriques. En outre, des interactions électron-électron ou électron-phonon dans la jonction peuvent être naturellement implémentés dans le modèle, ce qui permettra aussi d'adresser la physique de Kondo ou d’étudier la conversion et les échanges d'énergie entre degrés de liberté électroniques et phononiques.



[1] J. C. Cuevas and E. Scheer, Molecular Electronics: An Introduction to Theory and Experiment, World Scientific (2010)

[2] P. Giannozzi et al., QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009)

[3] A. Smogunov, A. Dal Corso, E. Tosatti, Ballistic conductance of magnetic Co and Ni nanowires with ultrasoft pseudo-potentials, Phys. Rev. B 70, 045417 (2004)

Simulations ab initio d’images STM polarisées en spin

SL-DRF-19-0780

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Groupe Mésocopie Modélisation et Thermoélectricité (GMT)

Saclay

Contact :

Yannick DAPPE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Yannick DAPPE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/GMT

+33 (0)1 69 08 84 46

Directeur de thèse :

Yannick DAPPE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/GMT

+33 (0)1 69 08 84 46

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/yannick.dappe/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/GMT

Depuis sa création il y a plus de 30 ans par Binnig et Rohrer, le microscope électronique à effet tunnel (STM) est devenu un instrument de choix, non seulement pour l’étude des structures atomiques de surfaces ou de nanostructures en surface, mais également pour la détermination des propriétés électroniques de ces systèmes. Cependant, la complexité des images obtenues expérimentalement requiert fréquemment un support théorique avancé pour parvenir à une correcte interprétation des données expérimentales. En ce sens, la détermination de la structure atomique et électronique sur la base de calculs dans le cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) représente un outil complémentaire très intéressant pour la caractérisation de ces systèmes. L’objet de cette thèse est de poursuivre plus avant les développements numériques en termes de simulation d’images STM par la prise en compte des effets de polarisation de spin. En effet, l’étude des nanostructures magnétiques revêt une importance fondamentale dans la recherche actuelle du fait des nombreuses applications dans les technologies de l’information et de la communication. Au cours de ce travail, il s’agira donc d’introduire la polarisation de spin dans un code de calcul de DFT, puis de reprendre les développements précédemment réalisés pour calculer le courant polarisé en spin entre la pointe STM et le système étudié. Ces développements seront ensuite confrontés à des systèmes expérimentaux de référence.

Spintronique ultra-rapide avec des isolants antiferromagnétiques

SL-DRF-19-0913

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (LNO)

Saclay

Contact :

Michel VIRET

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Michel VIRET

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 71 60

Directeur de thèse :

Michel VIRET

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 71 60

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/michel.viret/

Labo : http://iramis.cea.fr/SPEC/LNO/

Parmi les états ordonnés de la matière, le magnétisme est robuste et présent jusqu’à des températures largement supérieures à l’ambiante pour une large gamme de matériaux. Les ferromagnétiques sont par conséquent largement utilisés dans les technologies de l’information. D’un autre côté, les anti-ferromagnétiques (AF), qui composent la grande majorité des matériaux magnétiques, ne sont pas (encore) utilisés comme éléments actifs. Dans ces composés, les moments magnétiques atomiques pointent dans des directions opposées entre voisins. L’aimantation résultante nulle rend cet ordre insensible à un champ magnétique et difficile à sonder. Par conséquent, les propriétés intrinsèques de la formation des domaines AF et la mobilité des parois de domaines sont peu connues.



Durant ces dernières années, il a été démontré que les AF métalliques peuvent présenter des propriétés de magnéto-résistance (résultant du couplage spin-orbite) ouvrant ainsi des perspectives d’utilisation dans des dispositifs de la spintronique. D’un autre côté, les isolants AF sont largement plus répandus que leurs cousins conducteurs car les interactions de super-échange dans les isolants sont assez généralement AF. Un contrôle direct de l’ordre AF requiert des champs magnétiques très intenses, généralement non disponibles en laboratoire. Les récentes avancées dans le domaine des effets de transfert de spin produits par des courants de spin, permettent en principe de générer des couples magnétiques changeant alternativement de signe sur chaque moment atomique orienté de manière opposée, idéaux pour contrôler l’ordre AF. Cet effet, qui offre donc une possibilité intéressante de contrôler l’ordre AF, n’a pas encore été démontré dans ces composés.



Le sujet de thèse proposé ici a donc pour but de valider ce mécanisme dans des oxydes AF réalisés en couches minces. La manipulation de l'ordre antiferromagnétique sera réalisée à l'aide de courants de spin générés par un mécanisme basé sur la désaimantation ultra-rapide d'une couche ferromagnétique déposée sur l'AF. La mesure sera effectuée en imagerie par seconde harmonique. Excitation et mesure sont toutes deux basées sur l'utilisation d'un laser femtoseconde.

Un volet simulations numériques sera aussi développé en utilisant un code (fait maison) existant basé sur l’évolution de spins localisés via l’équation Landau-Lifshitz-Gilbert.

Transport de masse dans les métaux nanocristallins

SL-DRF-19-0705

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire des Solides Irradiés (LSI)

Laboratoire des Solides Irradiés (LSI)

Saclay

Contact :

Vassilis PONTIKIS

Gianguido Baldinozzi

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Vassilis PONTIKIS

CEA - DRF/IRAMIS

0169082904

Directeur de thèse :

Gianguido Baldinozzi

CNRS-Ecole Centrale-Supelec Paris - SPSMS

Page perso : https://www.researchgate.net/profile/Vassilis_Pontikis

Ce projet de recherche vise à la deconvolution des mécanismes de transport atomique dans les métaux nano-crystallins et des mécanismes de recristallisation opérant à cette échelle. Il est motivé par des résultats expérimentaux indiquant que dans les matériaux nanocristallins la croissance des grains est linéaire avec le temps de recuit alors que qu'aux échelles supérieures il estbien établi que ce processus suit une loi parabolique. Le travail envisagé repose sur l'utilisation des méthodes de simulation à l'échelle atomique, Dynamique Moléculaire et Monte Carlo,au moyen de potentiels phénomènologiques à n-corps, adaptés aux métaux nobles pour lesquels de nombreux résultats expérimentaux sont disponibles.

Étude théorique d’électrodes en graphène pour l’Electronique Moléculaire

SL-DRF-19-0779

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Groupe Mésocopie Modélisation et Thermoélectricité (GMT)

Saclay

Contact :

Yannick DAPPE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Yannick DAPPE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/GMT

+33 (0)1 69 08 84 46

Directeur de thèse :

Yannick DAPPE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/GMT

+33 (0)1 69 08 84 46

Page perso : http://iramis.cea.fr/spec/Pisp/yannick.dappe/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/GMT/

L’électronique moléculaire constitue de nos jours un domaine de recherche très actif, tant pour les aspects fondamentaux de ces nouveaux systèmes qui permettent d’explorer la Physique à l’échelle atomique, que par les possibles retombées en termes de composants électroniques innovants. En effet, outre la capacité à reproduire les composants électroniques à base de silicium (diodes, transistors, …), les molécules peuvent apporter de nouveaux types de réponses électriques du fait d’un grand nombre de degrés de liberté quantiques, modulables en fonction de la molécule considérée. En effet, la nature quantique de ces objets ainsi que les nouvelles fonctionnalités qui y sont associées, ouvrent des perspectives fascinantes pour construire l’électronique du futur.



En conséquence, ces nouvelles recherches ont conduit à d’importants développements dans le domaine de l’électronique moléculaire, notamment pour ce qui est du contrôle et de la manipulation du transport électronique à travers une jonction moléculaire. La majorité des jonctions moléculaire est fabriquée à base de molécules connectées à leurs extrémités par des électrodes métallique (or, platine, argent, ….). Or il a été démontré à plusieurs reprises que la connexion de l’électrode à la molécule présente une influence non négligeable sur la conductance électrique du système. En ce sens, de récents développements ont proposés l’utilisation de nouveaux matériaux tels que le graphène, une couche monoatomique de carbone, réputée pour ces fantastiques propriétés de conduction électrique, comme électrodes dans les jonctions moléculaires. Ainsi, il a été observé que la connexion à une électrode en graphène permet d’augmenter significativement la conductance de la jonction pour de longues chaînes moléculaires, et donc de réduire le coût énergétique de ces systèmes.



L’objectif principal de cette thèse s’inscrit dans ce cadre par l’étude théorique de jonctions moléculaires asymétriques, basées sur des électrodes en graphène ou MoS2, ainsi que l’étude de fils moléculaires décollés de la surface par une pointe STM. En utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), on déterminera la configuration d’équilibre de la jonction moléculaire, ainsi que des propriétés électroniques, avant dans un deuxième temps, à partir des configurations d’équilibre obtenues, de calculer le transport électronique dans un formalisme de Keldysh-Green. Il s’agira alors de comprendre le mécanisme d’augmentation de la conductance par rapport aux jonctions classiques, et de les comparer aux résultats expérimentaux existants. Les différents comportements attendus dans ces systèmes permettent d’étudier la Physique du transport électronique à l’échelle atomique, et peuvent être à l’origine de la conception de nouveaux composants à l’échelle de la molécule unique.

 

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