Sujet de stage / Master 2 Internship

Des films minces d’oxydes fer de composition M1-3xFe2+2x O4 (avec M= Co, Ni et Cu) seront réalisés par épitaxie par jet moléculaire et caractérisées. La réaction et la modification de la surface vis à vis d’un electrolyte aqueux seront étudiés en détail en fonction de la composition de l’échantillon dans différentes conditions expérimentales.

La (photo)électrolyse est un moyen pour produire de l’hydrogène ou réduire le CO2. Dans ce dispositif, la réaction chimique se produit à l’interface entre l’électrode et l’électrolyte. Pour améliorer les performances il est nécessaire de caractériser cette interface en conditions réelles. Dans le cadre du projet ANR OPTYMAL nous avons développé une expérience permettant d’étudier in situ la réactivité d’électrodes solides avec un électrolyte aqueux pour différentes conditions expérimentales (pH, lumière, champ électrique, champ magnétique, taux de CO2 dissous…). Ainsi nous pouvons caractériser la structure électronique et la structure cristallographique de l’électrode après exposition. Les (photo)anodes les plus performantes sont obtenues avec des oxydes métalliques et parmi eux les oxydes fer (hematite alpha-Fe2O3) ,maghemite (gamma-Fe2O3), spinelle (CoFe2O4, NiFe2O4, CuFe2O4) sont prometteurs. Dans le groupe LNO du SPEC, nous nous intéressons depuis plusieurs années à améliorer les propriétés des (photo) électrodes à bases d’oxydes. Plus précisément, nous préparons par jet moléculaire assisté par plasma d’oxygène des films minces épitaxiés déposés sur un substrat monocristallin avec des paramètres contrôlés (épaisseur, dopage , stœchiométrie).

Dans le cadre du stage proposé, on préparera différents films d’oxydes de structure spinelle avec différentes composition : M1-3xFe2+2x O4 (avec M= Co, Ni et Cu) sur du Pt(001). Les dépôts seront déposés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique. 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), avant et après le dépôt d’une goutte d’électrolyte sur la surface dans différentes conditions expérimentales (pH, lumière, champ électrique, champ magnétique, taux de CO2 dissous…). Les propriétés de photo-électrolyse (photo-courant, rendement) seront mesurées en lumière blanche et en lumière monochromatique et corrélées aux mesures de réactivité.

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.
Contacts : Hélène Magnan (helene.magnan@cea.fr)