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Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Les sujets de thèses

7 sujets IRAMIS//SPEC

Dernière mise à jour : 09-12-2019


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• Physique du solide, surfaces et interfaces

 

Cartographie locale de la réponse magnétique des matériaux en fréquence

SL-DRF-20-0289

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 :

Aurélie Solignac

Myriam PANNETIER-LECOEUR

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2020

Contact :

Aurélie Solignac
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 95 40

Directeur de thèse :

Myriam PANNETIER-LECOEUR
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 74 10

Page perso : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Pisp/index.php?nom=aurelie.solignac

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

Voir aussi : https://www.speclno.org/

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.
Déterminer le rôle des états de surface et du transfert des charges dans la cinétique de la réaction d’oxydation (OER) à l’interface hématite/électrolyte dans un procès de photoélectrolyse de l’eau.

SL-DRF-20-0658

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 : 01-10-2020

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/

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/.



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

SL-DRF-20-0269

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.
Nickelates: une nouvelle famille d'oxydes supraconducteurs

SL-DRF-20-0520

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 :

Dorothée COLSON

Jean-Baptiste MOUSSY

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2020

Contact :

Dorothée COLSON
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/LNO

01 69 08 73 14

Directeur de thèse :

Jean-Baptiste MOUSSY
CEA - DRF/IRAMIS

01-69-08-72-17

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/dorothee.colson/

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

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).

Nouveaux matériau pour l’énergie: des couches minces d'oxynitrures pour photoelectrodes

SL-DRF-20-0533

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 : 01-10-2020

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

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.

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

SL-DRF-20-0372

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)

Supercondensateur ionique à charge thermique à électrodes VACNT (vertically aligned carbon nanotubes)

SL-DRF-20-0511

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 :

Sawako NAKAMAE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2020

Contact :

Sawako NAKAMAE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Directeur de thèse :

Sawako NAKAMAE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/sawako.nakamae/

Labo : https://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

Thèse expérimentale en Science des énergies renouvelables (récupération de la chaleur perdue). Etude, développment et caractérisation de supercondensateurs à liquide ionique, dont les électrodes sont constituées de carbone nanostructurées (VACNT : vertically aligned carbon nanotube).



Domaines d'étude: Physique, Science des matériaux, Physique des fluides, Chimie physique.

 

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