H/f sujet de thèse: approche multi-techniques operando pour l’étude fondamentale du stockage de charges dans différents systèmes de stockage de l’énergie en couches minces.

Informations générales

Intitulé de l'offre : H/F Sujet de thèse: Approche multi-techniques operando pour l’étude fondamentale du stockage de charges dans différents systèmes de stockage de l’énergie en couches minces.
Référence : UMR8520-CHRLET-002
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : VILLENEUVE D ASCQ
Date de publication : mardi 25 mars 2025
Type de contrat : CDD Doctorant
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2025
Quotité de travail : Complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2200,00 € mensuel
Section(s) CN : 01 - Interactions, particules, noyaux du laboratoire au cosmos

Description du sujet de thèse

Les futures générations de batteries intégreront des matériaux qui permettront d’améliorer leurs performances notamment pour des régimes de charges rapides. Avant de fabriquer ces futures batteries, il est impératif de comprendre et d’investiguer les mécanismes de stockage de charges de ces matériaux d’électrodes. Les films minces sont des matériaux modèles permettant d’étudier leurs propriétés intrinsèques et de comprendre les interactions entre des matériaux d’électrodes et les ions d’un électrolyte. Ce sujet de thèse est donc centré sur l’élaboration de films minces sous vide en phase vapeur à l’IEMN et les caractérisations électrochimiques, structurales, électriques, chimiques associées. Ces films minces seront intégrés comme électrodes ou électrolyte dans les (micro-)batteries au lithium et les (micro-)supercondensateurs fabriquées au laboratoire. Le/La candidat(e) développera des films minces par pulvérisation cathodique magnétron sur différents types de substrats (Si, verre, STO,. Des recuits en fours tubulaires à différentes températures et atmosphères (air, Ar, N2, N2/H2) ou des recuits flash à haute température permettront de cristalliser ces films. Une approche par pulvérisation combinatoire sera menée par le candidat afin de balayer un grand nombre de compositions permettant la découverte de nouveaux matériaux fonctionnels notamment sur le volet électrolyte. Le candidat bénéficiera de l’environnement de l’IEMN pour développer et caractériser ces matériaux, des moyens de la fédération Chevreul pour la caractérisation avancée (TEM, XPS/TOFSIMS, DRX) et du support scientifique du réseau RS2E et du PEPR batterie. En parallèle de cette recherche de nouveaux matériaux, le candidat finalisera la mise au point à l’IEMN des bancs de mesures operando FTIR et Van Der Pauw sous stimulation électrochimique afin de caractériser les mécanismes de stockage de charges en temps réel. Ces bancs compléteront le parc de banc de mesure operando (Spectroscopie UV/Vis/IR, Raman, DRX, AFM) existant et des méthodologies de mesures et de traitement de données massives seront mises en place. Des caractérisations operando en rayonnement synchrotron à Soleil ou à ESRF (absorption X et diffraction X) seront planifiées pour compléter les besoins de compréhension fondamentaux. Les méthodologies d’analyses sur ces bancs de mesure seront mises au point sur des films minces « simples » et maitrisés couvrant les matériaux faradiques de type micro-batterie Li-ion (Nb2O5, LiFePO4, Li4Ti5O12…) et des matériaux pseudocapacitifs (RuN, VN, W2N, MoN…) pour micro-supercondensateur. Les propriétés mécaniques de ces matériaux seront investiguées par microscopie champ proche (AFM) et nanoindentation car la tenue mécanique des matériaux pilote la stabilité des futures générations de batterie. Des mesures seront mises en place en milieu aqueux, en milieu organique ou en électrolyte solide dans une boite à gants selon les besoins de l’étude (batterie Li ion en électrolyte liquide organique, batterie Li ou Li-ion tout solide, supercondensateur en milieu aqueux). Par ailleurs, le candidat développera également la méthodologie permettant la caractérisation de ces matériaux sur de larges substrats (7 à 10 cm de diamètre) par des techniques de cartographies multimodales (cartographies structurales (Raman et DRX), chimiques (Fluorescence), électriques, mécaniques, électrochimiques).

Contexte de travail

L’IEMN est membre du RS2E depuis 2012, membre du labex STOREX depuis 2018 et partenaire du PEPR « Batteries » depuis 2023. Dans ce contexte global, les activités de recherche menées dans le cadre de cette thèse s’appuieront sur les moyens de dépôts de la CMNF (pulvérisation, ALD) ainsi que sur l’arrivée d’un cluster de dépôt de films minces pour batterie comprenant 3 réacteurs et un outil de caractérisation mécanique (en boite à gants) des matériaux développés. Cet équipement permettra d’ouvrir la voie vers de nouveaux matériaux par une approche de dépôt par pulvérisation combinatoire couplée à des techniques de caractérisation haut débit disponibles à l’IEMN (cartographie électrique, mécanique et électrochimique) et à l’UCCS/Chevreul (cartographie chimique et structurale). L’équipe a une expertise reconnue pour développer des matériaux de (micro-)batteries ou (micro-)supercondensateurs en technologie couche mince par pulvérisation magnétron ou ALD.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.