CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Capteurs TMR pour l’imagerie du cerveau
TMR sensors for brain imaging

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/02/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PANNETIER-LECOEUR Myriam
+33 1 69 08 74 10

Résumé/Summary
L’électronique de spin, caractérisée par la modulation du transport des charges par l’état de polarisation des électrons, a permis de développer des mémoires magnétiques et des capteurs magnétiques , en premier lieu dans les têtes de lecture des disques durs, mais également pour la magnétométrie et la mesure de faibles champs magnétiques. Les champs accessibles sont typiquement dans la gamme du nanotesla.
Grâce à un système de concentrateur magnétique développé au laboratoire, permettant la focalisation du flux sur un capteur à électronique de spin, il est possible de diminuer de plusieurs ordres de grandeur la limite de détection en champ.
Dans ce projet, des capteurs à magnétorésistance tunnel (TMR) seront associées à une boucle supraconductrice afin d’atteindre des niveaux de détection inférieurs au femtotesla (10-15T). Ainsi, ces capteurs pourront être utilisés à la fois dans le domaine de la santé pour de l’imagerie magnétique à bas champ, ou dans le domaine des communications pour la détection de champs électromagnétiques de très faible intensité.
Spin electronics, characterized by the modulation of charge transport by the state of electron polarization, has made it possible to develop magnetic memories and magnetic sensors, primarily in the read heads of hard disks, but also for magnetometry and the measurement of weak magnetic fields. The accessible fields are typically in the nanotesla range.
Thanks to a magnetic concentrator system developed in the laboratory, allowing the magnetic flux to be focused on a spin electronics sensor, it is possible to reduce the field detection limit by several orders of magnitude.
In this project, tunnel magnetoresistance (TMR) sensors will be combined with a superconducting loop to achieve detection levels lower than femtotesla (10-15T). Thus, these sensors can be used both in the health sector for low field magnetic imaging and in communications for the detection of very low intensity electromagnetic fields.
Sujet détaillé/Full description
Durant le stage, des capteurs mixtes TMR-boucle de concentration seront fabriquées par techniques de lithographie. Les dispositifs ainsi obtenus seront caractérisés à travers le plateforme ultra bas bruit du SPEC (chambre magnétique blindée, caractérisation de magnétotransport et de bruit) à température de travail du capteur. Le dispositif sera ensuite intégré dans un système portable permettant l’interface avec le système d’IRM bas champ actuellement installé à Neurospin et dédié à l’imagerie du cerveau en champ faible.
Le stage couvrira des aspects microfabrication, modélisation et tests dont la répartition précise dépendra de la formation antérieure et de la durée du stage.
Ce projet s’inscrit dans le cadre du projet ANR « AdvTMR » et pourra donner lieu à une thèse.
During the internship, mixed TMR-concentration loop sensors will be manufactured using lithography techniques. The devices thus obtained will be characterized through the ultra-low noise platform of the SPEC (magnetically shielded room, magnetotransport and noise characterization) at the working temperature of the sensor. The device will then be integrated into a portable system that interfaces with the low field MRI system currently installed in Neurospin for low field brain imaging.
The internship will cover microfabrication, modelling and testing aspects, the precise distribution of which will depend on the previous training and the duration of the internship.
This project is part of the ANR "AdvTMR" project and may lead to a thesis.
Mots clés/Keywords
Magnétisme, Electronique de spin, Capteurs, IRM.
Magnetism, Spin electronics, Sensors, MRI.
Compétences/Skills
Mesures physiques -Magnétotransport -Mesures de Bruit -Microfabrication
Physical measurements - Magnetic transport - Noise measurements - Microfabrication
Etude de propriétés magnétiques des matériaux à l’aide de microscope magnétique et par simulations
Material magnetic propeties study with a magnetic microscope and simulations

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

10/04/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary
Le but du stage est de combiner des mesures d'images magnétiques réalisées avec un microscope innovant et des simulations afin de développer un outil d'analyse des propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers.
The internship aims at combining magnetic imaging realized with a novative microscope and simulations in order to develop an analysis tool for material magnetic properties as steel.
Sujet détaillé/Full description
Le Département d'Imagerie et Simulation pour le Contrôle (DISC) du CEA/List développe des méthodes de contrôle non destructif (CND) qui consistent à détecter des défauts dans les matériaux pour des secteurs industriels tels que l'aéronautique, la sidérurgie, le pétrole, le nucléaire. Les activités du laboratoire d'Instrumentation et Capteurs portent sur l’étude de propriétés magnétiques de matériaux ferromagnétiques par contrôle non destructif.
Le laboratoire de nanomagnétisme et oxyde (LNO) du SPEC possède des compétences, outils et expertises sur la caractérisation et le développement de capteurs magnétiques magnétorésistifs ultrasensibles pour diverses applications, allant de la biologie aux applications grande distribution comme l’automobile en passant par la caractérisation de matériaux magnétiques.
Le stage proposé s'inscrit dans une collaboration entre ces deux laboratoires et qui vise à l’analyse de propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers. Dans ce cadre, un microscope innovant ultrasensible et quantitatif est en cours de développement. Ce microscope est basé sur la combinaison d’un capteur magnéto-résistif et d’un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope).
La première partie de stage consistera dans les mesures des champs magnétiques de fuite émis par la surface de matériaux ferromagnétiques à l’aide du nouveau microscope pour avoir les données d’entrées pour le modèle théorique développé au DISC.
La deuxième partie sera dédiée à l’évaluation par simulations des distributions du champ magnétique dans les matériaux ferromagnétiques pour comprendre les résultats expérimentaux.
The CEA/List's Department of Imaging and Simulation for Control (DISC) develops non-destructive testing (NDT) methods that detect defects in materials for industrial sectors such as aeronautics, steel, oil, nuclear. The activities of the Instrumentation and Sensors Laboratory focus on the study of the magnetic properties of ferromagnetic materials by non-destructive testing.
SPEC's Nanomagnetism and Oxides (LNO) laboratory has skills, tools and expertise in the characterization and development of ultra-sensitive magnetoresistive magnetic sensors for various applications, ranging from biology to mass distribution applications such as automotive and magnetic material characterization.
The proposed internship is part of a collaboration between these two laboratories and aims to analyze the magnetic properties of materials such as steels. In this context, an innovative, highly sensitive and quantitative microscope is being developed. This microscope is based on the combination of a magneto-resistive sensor and scanning system.
The first part of the internship will consist of measuring the magnetic stray fields emitted by the surface of ferromagnetic materials using the new microscope to obtain the input data for the theoretical model developed at DISC.
The second part will be dedicated to the simulation evaluation of magnetic field distributions in ferromagnetic materials to understand the experimental results.
Mots clés/Keywords
Physique du solide, Physique des matériaux
Solid state physics, material physics
Compétences/Skills
Matériaux ferromagnétiques Microscope à sonde locale Capteurs magnétiques
Ferromagnetic materials Scanning probe microscope Magnetic sensors
Logiciels
Matlab, Python
Films minces multifonctionnels pour la transition énergétique et l’opto-spintronique à base de BaTiO3 dopé azote.
N doped BaTiO3 multifunctionnal thin films for opto-electronics and energy transition

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2020

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARBIER Antoine
+33 1 69 08 39 23

Résumé/Summary
L'objectif de ce stage est d’élaborer des couches minces epitaxiées d’oxynitrures BaTi(OxN1-x)3 par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasmas azote et oxygène atomiques : un materiau ferroélectrique sensible au spectre solaire. On procédera par dopage de films de BaTiO3 dont les conditions de croissance sont déjà parfaitement maitrisées au laboratoire CEA/SPEC. On étudiera le potentiel d’application de ces films pour la photoelectrolyse de l’eau et/ou l’opto-spintronique au laboratoire et potentiellement au C2N et au synchrotron-SOLEIL.
The objective of the internship is to grown thin BaTi(OxN1-x)3 oxinitride films by oxygen and nitrogen plasma assisted molecular beam epitaxy: a visible light sensitive ferroelectric material. We will proceed by nitrogen doping of BaTiO3 for which the growth conditions are perfectly mastered in the CEA/SPEC laboratory. Potential application to water-splitting and/or opto-spintronics will be studied in the laboratory and potentially at C2N and at synchrotron-SOLEIL.
Sujet détaillé/Full description
La transition énergétique requiert le développement de nouveaux matériaux dédiés, en particulier, à la production d’énergie propre et/ou permettant des économies d’énergie dans les systèmes électroniques. Dans ce cadre, les oxynitrures constituent une classe de matériaux pertinents. Parmi ceux-ci, les composés ferroélectriques sont particulièrement bien adaptés pour réaliser des capteurs opto-spintronique et pour la production d’hydrogène par photoélectrolyse de l’eau. L’insertion d’azote, moins électronégatif que l’oxygène, dans le réseau d’un oxyde engendre une augmentation du caractère covalent des liaisons chimiques. Cela se traduit par une diminution de la valeur du gap optique Eg et donc par une modification des propriétés d’absorption du composé. On s’attend également à des nouvelles propriétés de transport induite par le dopage par l’azote. La réalisation de films minces monocristallins d’oxynitrures est cependant délicate et a été peu étudiée à ce jour.
Nous allons explorer la possibilité de moduler les propriétés de couches minces d’oxydes de titanate de Baryum, BaTiO3, ferroélectriques dont nous maitrisons déjà la croissance par l’adjonction d’un plasma azote durant la croissance. Idéalement, on s’attachera à quantifier le ratio entre la perte de ferroélectricité et le gain de l’activité en tant que photoanode dans la photoelectrolyse de l’eau. Nous étudierons également l’influence de la lumière sur les propriétés. Enfin, si le temps le permet nous déposerons une couche magnétique sur le film d’oxynitrure afin d’étudier l’influence du dopage azote sur les propriétés magnétiques. On pourra également envisager des mesures en diffraction des rayons X pour caractériser les matériaux élaborés sur la ligne DiffAbs au synchrotron SOLEIL et des mesures ferroélectriques après lithographie au C2N.

Contacts : BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr
Autres chercheurs impliqués : H. Magnan, S. Matzen (C2N), J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL) - Le stage repose sur une collaboration CEA, C2N, SOLEIL.

Novel materials are required within the energy transition framework, in particular to produce clean energy and/or reduce electronic device consumption. Within this context oxynitrides are a relevant class of materials. The ferroelectric ones are very well suited to realize opto-spintronic sensors or electrode materials for hydrogen production through solar water splitting. The insertion of nitrogen, less electronegative than oxygen, into the lattice of an oxide causes an increase in the covalent nature of the chemical bonds. This leads to a decrease of the optical gap, Eg, value and thus in a modification of the absorption properties of the compound as well as doping by charge carriers making it possible to envisage new transport properties. The production of single crystalline thin oxynitride films is however challenging and has been little studied to date.
We will explore the possibility of modulating the properties of thin films of barium titanate, BaTiO3, a ferroelectric oxide. Its growth conditions are already well mastered and we will proceed by the addition of nitrogen plasma during growth. Ideally, the ratio between the loss of ferroelectricity and the gain of activity as a photoanode in the photoelectrolysis of water will be quantified. The influence of visible light on the structures will be studied. If possible we will deposit a magnetic layer and study the influence of the N doping on the magnetic properties. X-ray diffraction measurements may be used to characterize the material developed on the DiffAbs beamline at the SOLEIL synchrotron as well as ferroelectric measurements on patterned samples at C2N.

Contacts: BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr
Additional implicated researchers: H. Magnan, S. Matzen (C2N), J.-B. Moussy and C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL) - The internship relies on a CEA, C2N, SOLEIL collaboration.
Mots clés/Keywords
Oxynitrures, épitaxie par jets moléculaires, ferroélectricité, synchrotron, lithographie
Oxinitrides, molecular beam epitaxy, ferroélectricité, synchrotron, lithography
Compétences/Skills
Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène et azote. On utilisera la diffraction des électrons rapides (RHEED), la spectroscopie d’électrons Auger (AES), la photoémission des niveaux de coeur (XPS), la microscopie en champ proche (PFM), la microscopie électronique de basse énergie (LEEM), la caractérisation des films sur le banc de photoelectrolyse et éventuellement les mesures magnétiques (VSM), de la lithographie (au C2N) et la diffraction des rayons X.
The candidate will address the UHV techniques associated with the growth by molecular beam epitaxy. The techniques that will be used are Reflexion High Energy Electron Diffraction (RHEED), Auger Electron Spectroscopy (AES), Photoemission core level spectroscopy (XPS), Piezo Force Microscopy (PFM), Low Energy Electron microscopy (LEEM), a photoelectrocatalytic water-splitting setup, and eventually magnetic measurements (VSM), lithography (at C2N) and X-ray diffraction.
Les nickelates: une nouvelle famille d'oxydes supraconducteurs
Nickelates: a new superconducting oxide family

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Moussy J.-B./Colson Dorothee
+33 1 69 08 72 17/ 73 14

Résumé/Summary
Nous vous proposons de synthétiser et d'étudier les propriétés structurales et physiques de films minces du nouveau supraconducteur en couche infinie, le nickelate Nd0.8Sr0.2NiO2 [1]. La découverte de cette phase supraconductrice (à environ 10-15 K) devrait permettre de progresser dans la compréhension des mécanismes impliqués dans la supraconductivité à haute température critique.
[1] D. Li et al. Nature. 572, 624 (2019)
We propose you to synthesize and study the structural and physical properties of thin films of the new infinite layer superconductor, nickelate Nd0.8Sr0.2NiO2 [1]. The discovery of this superconducting phase (at about 10-15 K) should allow progress to be made in understanding the mechanisms involved in high temperature superconductors.
[1] D. Li et al. Nature. 572, 624 (2019)
Sujet détaillé/Full description
Description scientifique :
La découverte de la supraconductivité à haute température critique (Tc) dans les cuprates [1] a motivé l'étude des oxydes de structure cristalline et électronique similaire dans le but de trouver des supraconducteurs supplémentaires et de comprendre les origines de cette supraconductivité non conventionnelle. Les exemples isostructuraux incluent le ruthénate supraconducteur Sr2RuO4 ou l'iridate Sr2IrO4 dopé aux électrons même si un état de résistance nulle n'a pas encore été observé dans ce dernier composé [2]. Récemment, la supraconductivité de la couche infinie Nd0.8Sr0.2NiO2 nickelate [3] a également été observée en utilisant une réduction topotactique en chimie douce de la phase précurseur de la perovskite. La découverte de cette phase supraconductrice (à Tc~10-15 K)
10-15 K) devrait permettre de progresser dans la compréhension des mécanismes impliqués dans les supraconducteurs à haute température critique.
Au cours de ce stage, l'étudiant réalisera la croissance cristalline de couches minces de NdNiO3 (001) pure et (Nd/Sr) substituée sur des substrats monocristallins SrTiO3 (001) par dépôt laser pulsé (PLD). L'étudiant testera ensuite des traitements réducteurs permettant la formation de la phase infinie attendue de la couche. Une attention particulière sera portée aux propriétés structurales et physiques des couches minces d'oxyde par diffraction d'électrons in situ (RHEED), spectroscopie de photoémission (XPS/UPS) ou techniques ex situ comme la microspcopie 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).
Scientific description:
The discovery of high-Tc superconductivity in cuprates [1] has motivated the study of oxides with similar crystalline and electronic structure with the aim of finding additional superconductors and understanding the origins of this unconventional superconductivity. Isostructural examples include the superconducting Sr2RuO4 ruthenate or the electron-doped Sr2IrO4 iridate even if a zero-resistance state has not yet been observed in this last compound [2]. Recently, the superconductivity in the infinite layer Nd0.8Sr0.2NiO2 nickelate [3] has also been observed by using a soft-chemistry topotactic reduction of the perovskite precursor phase. The discovery of this superconducting phase (around 10-15 K) should allow to progress in the understanding of the mechanisms involved in high-Tc superconductors.
During this internship, the student will perform the crystalline growth of pure and (Nd/Sr) substituted NdNiO3(001) thin films on single-crystal SrTiO3(001) substrates by pulsed laser deposition (PLD). Once grown, the student will test reducing treatments allowing the formation of the expected infinite layer phase. A peculiar attention will be given to the structural and physical properties of oxide thin films by using in situ electron diffraction (RHEED), photoemission spectroscopy (XPS/UPS) or ex situ techniques such as near-field microspcopy (AFM), magnetism (SQUID, VSM). The electronic properties of samples will then be studied as a function of temperature (resistivity, Hall coefficient, current-voltage characteristics) in order to analyze the superconducting behavior.

[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).
Mots clés/Keywords
Sciences des Matériaux
Materials science
Compétences/Skills
Le dépôt de couches minces s'effectuera par ablation laser pulsé (PLD). Les propriétés structurales et physiques seront étudiées par diffraction d'électrons in situ (RHEED), spectroscopie de photoémission (XPS/UPS) ou par des techniques ex situ telles que la microspcopie en champ proche (AFM), magnétisme (SQUID, VSM). Les propriétés électroniques des échantillons seront étudiées en fonction de la température (résistivité, coefficient de Hall, caractéristiques courant - tension) afin d'analyser le comportement supraconducteur.
Thin films will be deposited by pulsed laser ablation (PLD). Structural and physical properties will be studied by in situ electron diffraction (RHEED), photo-emission spectroscopy (XPS/UPS) or ex situ techniques such as near field microspcopy (AFM), magnetism (SQUID, VSM). The electronic properties of the samples will be studied as a function of temperature (resistivity, Hall coefficient, current - voltage characteristics) in order to analyze the superconducting behaviour.
Microscopie magnétique locale par intégration de capteurs magnétorésistifs
Local magnetic microscopy with magnetoresitive sensor integration

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27/03/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary
Le but du stage est d’étudier l’effet de l’intégration de capteurs magnétiques magnétorésistifs dans des bras de levier flexibles de type AFM sur leurs performances. Les capteurs, destinés à être intégrés à un microscope magnétique, seront microfabriqués en salle blanche puis caractérisés en termes de magnétotransport et de bruit.
The aim of the internship is to study the magnetoresistive magnetic sensor integration in flexible cantilever on their performances. The sensors, destinated to be integrated in a scanning microscope, will be microfabricated in clean room and characterized in terms of magnetotransport and noise.
Sujet détaillé/Full description
Dans le but de caractériser les propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers ou les nanoparticules, un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif est 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 géantes, basées sur l’électronique de spin et pouvant détecter des champs magnétiques de l’ordre du nT/√Hz.
Le but du stage sera d’étudier les performances des capteurs en termes de magnétorésistance et de bruit lorsqu’ils sont intégrés dans les bras de levier flexibles. La réponse des capteurs devra être optimisée en fonction de l’application visée. Le stage aura donc un aspect microfabrication en salle blanche et un aspect mesures de transport et de bruit, qui sera réalisé dans la chambre blindée de la plateforme Ultra Bas Bruit.
Les sondes développées seront ensuite intégrées dans le microscope afin de réaliser des images magnétiques.
In order to characterize the magnetic properties of materials such as steels or nanoparticles, an ultra-sensitive and quantitative magnetic microscope is being developed at the Nanomagnetism and Oxides Laboratory. This microscope combines a local scanning probe microscope of the AFM type (Atomic Force Microscope) and a magnetic sensor integrated in an AFM flexible cantilever. The magnetic sensors used are giant magnetoresistance sensors, based on spin electronics and capable of detecting magnetic fields in the order of nT/√Hz.
The aim of the internship will be to study the performance of the sensors in terms of magnetoresistance and noise when integrated into the flexible cantilever. The response of the sensors should be optimized according to the application. The internship will therefore have a microfabrication aspect in a clean room and a transport and noise measurement aspect, which will be carried out in the shielded room of the Ultra Low Noise platform.
The developed probes will then be integrated into the microscope to produce magnetic images.
Mots clés/Keywords
Capteur magnétique, microscopie sonde locale, magnétorésistance
Magnetic sensors, scanning probe microscopy, magnetoresistance
Compétences/Skills
Microscopie magnétique, micro fabrication, mesures magnéto-transport
Magnetic microscopy, microfabrication, magnetotransport measurements
Nanostructuration d'électrodes de graphite décorées par des nanofils d'hématite pour la fabrication de microcellules liquides pour la photoélectrolyse de l’eau
Graphite electrodes patterning decorated with hematite nanorods for solar water splitting liquid microcell fabrication

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

11/04/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STANESCU Dana
+33 1 69 08 75 48

Résumé/Summary
Des cellules électrochimiques de taille micronique à trois électrodes sont nécessaires pour réaliser la caractérisation operando des photoélectrodes pendant la photoélectrolyse de l’eau. Pour cela, nous proposons un stage sur le développement d’électrodes nanostructurées en graphite décorées par des nanofils d'hématite déposées par voie chimique.
Liquid three-electrodes micron-sized electrochemical cells are required to realize operando microscopy studies of photoelectrodes during the solar water splitting reactions. For that purpose, we propose an internship on the development of patterned graphite electrodes decorated with hematite nanorods deposited by aqueous chemical growth.
Sujet détaillé/Full description
Les sources d'énergie renouvelables, ne représentent aujourd'hui que 20% de la consommation énergétique mondiale. Celles permettant de réduire les émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, peuvent apporter une réponse fiable à la demande d'énergie. Ainsi l'hydrogène semble être un vecteur énergétique efficace et durable puisque son énergie spécifique est d'environ 120 MJ / Kg, plus élevée que celle des hydrocarbures (46 MJ / Kg) ou des batteries lithium-air (8 MJ / Kg). De nos jours, plus de 95% de la production totale d'hydrogène (environ 50 millions de tonnes par an) dépend de l'industrie des combustibles fossiles, principalement le reformage du méthane à la vapeur, avec par conséquent un très fort impact carbone. L'hydrogène peut également être produit par l’électrolyse de l'eau. Un apport d'énergie important est toutefois nécessaire pour produire une différence de potentiel pour initier la réaction d'oxydoréduction (1,23 V). Une nouvelle idée, inspirée par la photosynthèse, est la photoélectrolyse de l'eau, où la lumière solaire est utilisée pour réduire le biais de tension nécessaire pour séparer l'hydrogène de la molécule d'eau. Une nouvelle idée, inspirée par la photosynthèse, est la photoélectrolyse de l'eau, où la lumière solaire est utilisée pour réduire l’apport externe d’énergie électrique nécessaire pour la dissociation de l’eau [1].
En général, une cellule photoélectrochimique est constituée d’une photoanode semiconductrice de type n (l’électrode de travail) associée à une cathode métallique (la contre électrode) et une électrode de référence. Le paramètre macroscopique qui confirme la production d'hydrogène est le photocourant [2]. Pour ce stage, nous proposons de développer des électrodes de travail de taille micrométrique sur du SiN, sous forme de nanostructures de graphite décorés par des nanofils d’hématites. L’optimisation du procédé de fabrication d’électrodes de travail de taille micronique fait partie d’une étude plus vaste portant sur la fabrication de cellules photoélectrochimiques de taille micronique définies entre deux membranes collées de SiN, pour la microscopie de rayons X. Ces cellules permettront de réaliser des études operando (c'est-à-dire pendant la réaction électrochimique et en présence de la lumière) à l'aide du microscope STXM (microscope en transmission des rayons X) de la ligne de lumière HERMES au Synchrotron SOLEIL [3]. Les électrodes de graphite seront obtenues par pyrolyse des films de résine photosensible (PPF) et par évaporation, en comparant leurs propriétés physico-chimiques afin de définir la meilleure approche. Des paramètres tels que la température et la durée de la pyrolyse, l’épaisseur de la résine photosensible ou les paramètres de l’étalement de la résine seront modifiés afin d'optimiser l'adhérence du graphite à la couche de SiN et sa conductivité électrique. Les nanofils d'hématite seront déposées en utilisant une méthode simple et polyvalente, la croissance par voie chimique (ACG) [4]. Les paramètres permettant une croissance optimale des nanofils d'hématite sont déjà connus grâce à des études précédentes.
Le stagiaire aura plusieurs missions: a) l’élaboration d’un protocole assurant un processus reproductible de fabrication d’électrodes en graphite de taille micronique décorées par de nanofils d’hématite, sur des couches de SiN et des membranes en SiN; b) la caractérisation de l'efficacité de ces électrodes pendant la photoélectrolyse par des mesures du photocourant; c) les mesures avec le STXM des photoanodes déposées sur des membranes en SiN et la caractérisation des propriétés chimiques / structurelles / électroniques de nanofils d'hématite décorant les électrodes de graphite. Des techniques combinées de laboratoire (lithographie, croissance par voie chimique, mesures du photocourant, SEM - microscopie électronique à balayage) et synchrotron (STXM et XPEEM – spectro-microscopie à rayons X des photoélectrons) seront utilisées dans cette étude.

resp. SPEC: Dana Stanescu (dana.stanescu@cea.fr)
resp. SOLEIL: Stefan Stanescu (stefan.stanescu@synchrotron-soleil.fr)

[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238, 37, 10.1038/238037a0
[2] M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, A. Barbier, J.Phys.Chem.C, 2014, 118 (6), pp. 3007–3014, 10.1021/jp500290j
[3] R. Belkhou, S. Stanescu, S. Swaraj, A. Besson, M. Ledoux, M. Hajlaoui, D. Dalle, J. Synchrotron Radiat., 2015, 22 (4): 968-979, 10.1107/S1600577515007778
[4] L. Vayssieres, Int. J. Nanotechnol. 2004, 1, 10.1504/IJNT.2004.003728; L. Vayssieres, Appl. Phys. A, 2007, 89, 1–8, 10.1007/s00339-007-4039-0
Renewable energy sources, only 20% of the present mankind’s global energy consumption, will constitute a reliable answer to the energy demand if they reduce carbon dioxide emissions into the atmosphere. Hydrogen appears to be an efficient and sustainable energy carrier since its specific energy is around 120 MJ/Kg, higher than in hydrocarbons (46 MJ/Kg) or lithium air batteries (8 MJ/Kg). Nowadays, more than 95% of total hydrogen production (ca. 50 millions of tonnes per year) depends on the fossil fuels industry, mainly steam methane reforming. Therefore, the carbon impact is huge. Hydrogen can also be produced by water electrolysis. A significant energy input is however necessary to produce the voltage bias necessary to initiate redox reaction (1.23 V). A novel idea, inspired by photosynthesis, is the water photoelectrolysis (or solar water splitting) where sunlight is used to reduce the voltage bias necessary to split hydrogen from water molecule [1].
In most cases, a photoelectrochemical cell consists of an n-type semiconductor photoanode (the working electrode) associated with a conventional metal cathode (the counter electrode) and a reference electrode, the macroscopic parameter that confirms hydrogen production being the generated photocurrent [2]. For this internship, we propose to develop patterned micron-sized working electrodes on SiN, as nanostructured graphite films decorated with hematite nanorods. The optimization of micron-sized working electrodes fabrication process belongs to long-time study, the fabrication of micron-sized photoelectrochemical cells defined between two sealed SiN membranes, for X-rays microscopy. These cells will allow to realize operando microscopy studies (i.e. in the presence of an electrochemical reaction and light) using the STXM (Scanning Transmission X-rays Microscope) at HERMES beamline at the SOLEIL Synchrotron [3]. The graphite electrodes will be obtained by pyrolysed photoresist films (PPF) and evaporation, comparing their physico-chemical properties in order to define the best approach. Parameters like pyrolysis temperature and time, photoresist thickness or spin-coating parameters will be varied in order to optimize graphite adherence to the SiN layer and its electrical conductivity. Hematite nanorods will be deposited by using a simple and versatile method, the Aqueous Chemical Growth (ACG) [4] the parameters for an optimum growth of the hematite nanorods are already known from precedent studies.
The intern will have several missions: a) the elaboration of a protocol insuring reproducible elaboration of patterned graphite electrodes decorated with hematite nanorods on SiN layers and SiN membranes; b) the characterization of the efficiency of these electrodes during the photoelectrolysis by photocurrent measurements; c) the measurements of the photoanodes deposited on SiN membranes with the STXM and the characterization of the chemical/structural/electronic properties of hematite nanorods decorating the graphite electrodes. Combined laboratory (lithography, chemical growth, photocurrent measurements, SEM - Scanning Electron Microscopy) and synchrotron soft X-rays microscopies (STXM - Scanning Transmission X-ray Microscopy and XPEEM - X-ray PhotoEmission Electron Microscopy) techniques will be used to realize this study.

resp. SPEC: Dana Stanescu (dana.stanescu@cea.fr)
resp. SOLEIL: Stefan Stanescu (stefan.stanescu@synchrotron-soleil.fr)

[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238, 37, 10.1038/238037a0
[2] M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, A. Barbier, J.Phys.Chem.C, 2014, 118 (6), pp. 3007–3014, 10.1021/jp500290j
[3] R. Belkhou, S. Stanescu, S. Swaraj, A. Besson, M. Ledoux, M. Hajlaoui, D. Dalle, J. Synchrotron Radiat., 2015, 22 (4): 968-979, 10.1107/S1600577515007778
[4] L. Vayssieres, Int. J. Nanotechnol. 2004, 1, 10.1504/IJNT.2004.003728; L. Vayssieres, Appl. Phys. A, 2007, 89, 1–8, 10.1007/s00339-007-4039-0
Mots clés/Keywords
électrochimie; instrumentation;
electrochemistry; instrumentation
Compétences/Skills
Lithographie, croissance par voie chimique, mesures du photocourant, SEM, STXM, XPEEM
Lithography, chemical growth, photocurrent measurements, SEM, STXM, XPEEM
Logiciels
Office, Origin, Python, LabView
Photo-électrolyse de l’eau assistée par une couche perovskite ferroélectrique
Water photo-electrolysis assisted by a perovskite ferroelectric layer

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/07/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MAGNAN Helene
+33 1 69 08 94 04

Résumé/Summary
Des photo-anodes dédiées à la photo-électrolyse de l’eau seront réalisées et caractérisées. Il s’agira d’hétérojonctions d’oxydes élaborées par épitaxie par jets moléculaires dont une couche sera ferroélectrique et polarisée électriquement. Les effets de la polarisation électrique sur les propriétés de photo-électrolyse seront étudiés.
Thin epitaxial films dedicated to water photolectrolysis will be prepared by atomic oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and characterized. We will study oxide heterojunction containing a polarized ferroelectric layer. We will study the influence of electrical polarization on the photoanode efficiency.
Sujet détaillé/Full description
La photo-électrolyse de l’eau permet la production directe d’hydrogène en utilisant l’énergie solaire. L’hydrogène, en tant que vecteur d’énergie propre et décarbonné, est une piste crédible pour résoudre la paradoxale nécessité d’une augmentation de la production énergétique et de la réduction des gaz à effets de serre. 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. Les anodes permettant une bonne absorption du spectre lumineux souffrent d’un taux de recombinaison rédhibitoire. Il faut considérer des architectures de matériaux plus complexes afin d’améliorer les propriétés des électrodes simples. Dans cette étude, nous souhaitons combiner une couche d’oxyde efficace en tant que photo-anode avec une couche d’oxyde pérovskite ferroélectrique, fournissant une polarisation électrique interne permettant d’améliorer les propriétés de transport.
Dans le cadre du stage proposé, on s’attachera, dans un premier temps, à déterminer les conditions de croissance d’hétérojonctions monocristallines de type Fe2O3 / BaTiO3. Les dépôts seront réalisés sur des substrats adaptés et conducteurs (Pt(001) et Pt(111)), et seront déposés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique, une technique parfaitement maitrisée au laboratoire. La structure cristalline sera déterminée in situ et en temps réel grâce à la diffraction d’électrons rapides (RHEED). La stœchiométrie des films sera déterminée par spectroscopie d’électrons Auger et par photoémission (XPS). Les propriétés de photo-électrolyse (photo-courant, rendement) seront mesurées en lumière blanche et en lumière monochromatique. L’efficacité de la photo-anode sera analysée en fonction de la nature de l’heterojonction et de l’orientation cristalline. Nous étudierons également les effets de la polarisation électrique (amplitude, orientation) de la couche ferrolectrique sur les propriétés de photo-électrolyse.
Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires (dépôt de couches minces, caractérisations in situ) ainsi que la caractérisation électrochimique de photo-anodes. Le caractère multi-disciplinaire du sujet sera très enrichissant pour le (la) candidat(e). Les couches élaborées durant ce stage s’inscrivent dans le cadre de recherches à long terme dans le groupe. Ce sujet pourra être prolongé par une thèse.
Contacts : Hélène Magnan (helene.magnan@cea.fr)
Mots-clés : Couches minces, épitaxie, caractérisation, photo-anode, photo-électrolyse.

Thin epitaxial films dedicated to water photolectrolysis will be prepared by atomic oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and characterized. We will study oxide heterojunction containing a polarized ferroelectric layer. We will study the influence of electrical polarization (intensity and orientation) on the photoanode efficiency.
Solar energy has the potential to satisfy the increasing global energy demand. Semiconductors hold great promise for high-efficiency solar water splitting (water photo electrolysis). Indeed, they may be used for solar energy harvesting and/or chemical energy storage. Since the first demonstration using TiO2 as a photoanode, a large number of metal oxides were studied for this application. However, all these simple oxides present some limiting factors (such as electron - hole recombination and position of the conduction band edge below the H+/H2 redox potential) which can explain a relatively low efficiency. Recently, we have shown in our group that the efficiency of solar water splitting can be strongly improved by using a ferroelectric layer (BaTiO3) as photoanode [1].
In the present internship, we propose to prepare and study oxide heterojunctions (Fe2O3 / BaTiO3) grown by Atomic Oxygen plasma assisted Molecular Beam Epitaxy. The introduction of the perovskite ferroelectric layer is expected to improve the photoanode efficiency of Fe2O3 thanks to a better charge transport. For all samples, we will determine the crystallographic structure by in situ RHEED and the electronic structure by in situ XPS. The photoanode efficiency as a function of the nature of heterojunction and of its crystallographic orientation. Moreover the influence of ferroelectric polarization vector (direction and strength) will be also measured.


[1] M. Rioult, S. Datta, D. Stanescu, S. Stanescu, R. Belkhou, F. Maccherozzi, H. Magnan, A. Barbier, Appl. Phys. Lett 107, 103901 (2015)
contact: Helene Magnan (helene.magnan@cea.fr)
Mots clés/Keywords
couches minces, epitaxie, caracterisation, Photo-electrolyse
thin layer, epitaxy, MBE, Photolectrolysis
Compétences/Skills
Auger XPS, MBE , photoelectrochimie
Auger, XPS, Photo-electrochemistry

 

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