Service de Physique de l'Etat Condensé

Les sujets de thèses

8 sujets IRAMIS//SPEC

Dernière mise à jour : 17-01-2019


««

• 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.

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 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.

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.

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)

 

Retour en haut