Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Thèses

Sujets de thèse proposés au CEMES

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Sujet de thèse "Deformation micromechanisms and tensile properties of advanced single crystal nickel-based superalloys"

 

      • Mots-clés :

        Ni-based superalloys, Mechanical properties, Tensile tests, Deformation micro-mechanisms, Dislocations, Transmission electron microscopy.

         

 

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Références :

1. Reed RC The Superalloys : Fundamentals and Applications. Cambridge University Press.

2. Pollock TM, and Tin S (2006). J Propuls Power. 22(2) : 361–374. doi : 10.2514/1.18239.

3. Caron P (2000). In : Superalloys 2000 (Ninth Int. Symp. TMS ; pp 737–746.

4. Wahl JB, and Harris K (2016). In : Superalloys 2016. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA ; pp 25–33.

5. Kawagishi K, Yeh A-C, Yokokawa T, Kobayashi T, Koizumi Y, and Harada H (2012). In : Superalloys 2012. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA ; pp 189–195.

6. Rame J, and Cormier J Patent N°. FR3081883 (A1). .

7. Bortoluci Ormastroni LM, Mataveli Suave L, Cervellon A, Villechaise P, and Cormier J (2020). Int J Fatigue. 130(105247). doi : 10.1016/j.ijfatigue.2019.105247.

8. Bortoluci Ormastroni LM, Utada S, Rame J, Mataveli Suave L, Kawagishi K, Harada H, Villechaise P, and Cormier J (2020). accepted. In : Superalloys 2020. .

9. Caron P, Diogolent F, and Drawin S (2011). Adv Mater Res. 278 : 345–350. doi : 10.4028/www.scientific.net/AMR.278.345.

 

 

Postulez en ligne  : https://ed-sdm.univ-toulouse.fr/as/ed/page.pl?site=edsdm&page=recrut

Candidature : Un CV, une lettre de motivation et une lettre de recommandation à envoyer à : jonathan.cormier chez ensma.fr et florence.pettinari chez cemes.fr.

 

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Sujet de thèse "Holographie électronique hors-axe appliquée aux matériaux de l’optoélectronique sous excitation lumineuse"

      • Lieu : CEMES-CNRS Toulouse
      • Date début de la thèse : 01/10/2020
      • Durée du contrat : 36 mois
      • Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
      • Contacts : Sophie Meuret et Christophe Gatel

 

Sujet

L’étudiant.e recruté.e rejoindra l’équipe I3EM (“In situ, Interferometry and Instrumentation for Electron Microscopy”) du CEMES-CNRS. L’étudiant.e étudiera, par holographie électronique « in-situ », les modifications des champs électriques et magnétiques dues à l’absorption de lumière dans des matériaux semiconducteurs nanostructurés.

Dans ces nanostructures, les photons absorbés créent des porteurs de charges qui induisent localement des changements du champ électrique interne. Par exemple, dans les hétérostructures III-V utilisées pour les diodes électroluminescentes (LEDs)[1], le champ électrique interne dû à l’effet Stark quantique confiné (QCSE) est écranté par l’absorption de la lumière. Dans les cellules solaires à base de CuInGaNSe (CIGS)[2], la lumière induit un champ électrique à travers la jonction p-n [3]. Si ces effets ont été étudiés de façon approfondie à l’échelle macroscopique et mésoscopique, le comportement d’une nanostructure sous excitation lumineuse est régit par les variations locales de ces propriétés structurales, telles que la densité de défauts [4], les contraintes [5], les inhomogénéité de composition [6] ou les interfaces [7]. Il est donc impératif d’étudier les effets de la lumière à l’échelle atomique pour comprendre, caractériser et optimiser leur réponse optique. Ainsi visualiser et mesurer l’absorption de la lumière à l’échelle atomique améliorera grandement notre compréhension des nanostructures optiquement actives.
À cause de leur longueur d’onde picométrique, les clichés par électrons rapides ne sont pas limités par la diffraction et permettent d’observer les structures atomiques. Différentes méthodes basées sur l’excitation électronique sont utilisées pour étudier les nanostructures actives optiquement. Par exemple, la spectroscopie par cathodoluminescence (CL) étudie la réponse optique de ces matériaux à l’échelle du nanomètre [8]–[10]. Elle a été utilisée notamment pour étudier le rôle des défauts [11] et de la polarité [12] dans la luminescence de matériaux dit III-V, ainsi que les effets des joints de grain dans la diffusion des porteurs dans les matériaux CIGS [13]. Cependant, la CL est à ce jour incapable de donner une mesure quantitative et résolue spatialement des propriétés optiques fondamentales, telles que l’efficacité quantique, la non-linéarité des porteurs et le spectre d’absorption. Toutes ces propriétés ont été par ailleurs étudiées par spectroscopie par photoluminescence (PL) mais au-dessus de la limite de diffraction.
L’ holographie électronique dite hors-axe (off-axis), technique interférométrique utilisée en microscopie électronique en transmission, permet de cartographier quantitativement le champ électrique et magnétique de nano-objets [14] avec une résolution spatiale de l’ordre du nanomètre. Quelques premières études ont été faites sur des nanofils III-V [7] et des cellules solaires [15], mais jusqu’à présent cette technique n’a pas été utilisée pour étudier les effets de la lumière à l’échelle atomique.
L’étudiant.e cherchera à déterminer le lien entre la structure atomique et l’efficacité d’absorption de la lumière à l’échelle atomique, qui est un des paramètres clefs pour beaucoup de nanostructures semi-conductrices. Elle/Il étudiera l’absorption de la lumière à l’échelle du nanomètre en combinant, sous excitation lumineuse, holographie électronique et spectroscopie de luminescence (CL et PL). Elle/Il participera aux développements du système d’injection de lumière sur l’échantillon dans un microscope destiné à l’holographie électronique. Deux sortes de matériaux seront étudiés : des nanofils d’InGaN/GaN et des cellules solaires CIGS, chacun représentant une classe de matériaux qui bénéficiera grandement de la visualisation de l’absorption de la lumière à l’échelle du nanomètre.

 

Activités

L’étudiant.e sera impliqué dans chaque étapes de ce projet :
•Etudes de cathodoluminescence et d’holographie électronique (expérience et analyse)
•Mise en place de l’expérience d’holographie électronique sous injection de lumière (développement expérimental)
•Cartographie des champs sous injection de lumière par holographie électronique (expérience et analyse)
•Modélisation des effets de l’absorption de la lumière à l’échelle nanométrique (théorie et simulation)
Chaque étape permettra au candidat.e d’acquérir des compétences et d’obtenir des résultats orignaux.

 

Compétences

Nous recherchons particulièrement un.e candidat.e avec des bases solides en matière condensée et en optique. Une première expérience en microscopie électronique est la bienvenue ainsi que des notions de programmation (Python/C++).

 

Contexte

L’étudiant.e sera financé.e par un projet ANR (ECHOMELO) et travaillera au CEMES. Le CEMES est un laboratoire du CNRS, basé à Toulouse, axé sur la recherche fondamentale en science des matériaux, physique des solides et chimie moléculaire. Le CEMES est reconnu internationalement dans le domaine de la microscopie électronique en transmission (TEM), plus particulièrement pour ses développements instrumentaux autour du TEM. Parmi les 7 TEM disponibles au laboratoire, l’équipe I3EM travaille sur un microscope dédié à l’holographie électronique et aux expériences in-situ, ainsi que sur un TEM résolu en temps unique en son genre. Le laboratoire bénéficie aussi de tout le support technique requis avec un service d’aide à la préparation d’échantillon, des ateliers de mécanique et d’électronique.

 

[1]R. Yan, D. Gargas, and P. Yang, “Nanowire photonics,” Nat. Photonics, vol. 3, no. 10, pp. 569–576, 2009.
[2]G. Yin, M. W. Knight, M. C. van Lare, M. M. Solà Garcia, A. Polman, and M. Schmid, “Optoelectronic Enhancement of Ultrathin CuIn1–xGaxSe2Solar Cells by Nanophotonic Contacts,” Adv. Opt. Mater., vol. 5, no. 5, 2017.
[3]A. Polman, M. Knight, E. C. Garnett, B. Ehrler, and W. C. Sinke, “Photovoltaic materials : Present efficiencies and future challenges,” Science (80-. )., vol. 352, no. 6283, 2016.
[4]P. Corfdir et al., “Exciton localization on basal stacking faults in a-plane epitaxial lateral overgrown GaN grown by hydride vapor phase epitaxy,” J. Appl. Phys., vol. 105, no. 4, p. 043102, 2009.
[5]M. Takeguchi, M. R. McCartney, and D. J. Smith, “Mapping In concentration, strain, and internal electric field in InGaN/GaN quantum well structure,” Appl. Phys. Lett., vol. 84, no. 12, pp. 2103–2105, 2004.
[6]K. Pantzas et al., “Role of compositional fluctuations and their suppression on the strain and luminescence of InGaN alloys,” J. Appl. Phys., vol. 117, no. 5, p. 55705, 2015.
[7]J. Cai and F. A. Ponce, “Study of charge distribution across interfaces in GaN/InGaN/GaN single quantum wells using electron holography,” J. Appl. Phys., vol. 91, no. 12, pp. 9856–9862, 2002.
[8]B. G. Yacobi and D. B. Holt, “Cathodoluminescence scanning electron microscopy of semiconductors,” J. Appl. Phys., vol. 59, no. 4, 1986.
[9]L. F. Zagonel et al., “Nanometer scale spectral imaging of quantum emitters in nanowires and its correlation to their atomically resolved structure.,” Nano Lett., vol. 11, no. 2, pp. 568–73, Feb. 2011.
[10]S. K. Lim, M. Brewster, F. Qian, Y. Li, C. M. Lieber, and S. Gradec, “Direct Correlation between Structural and Optical Properties of III - V Nitride Nanowire Heterostructures with Nanoscale Resolution,” Nano Lett., vol. 9, no. 11, pp. 3940–3944, 2009.
[11]G. Schmidt et al., “Nano-scale luminescence characterization of individual InGaN/GaN quantum wells stacked in a microcavity using scanning transmission electron microscope cathodoluminescence,” Appl. Phys. Lett., vol. 105, no. 3, p. 32101, 2014.
[12]L. H. G. Tizei et al., “A polarity-driven nanometric luminescence asymmetry in AlN/GaN heterostructures,” Appl. Phys. Lett., vol. 105, no. 14, p. 143106, 2014.
[13]F. Oehlschläger et al., “Determination of material inhomogeneities in CuIn(Se,S)2solar cell materials by high resolution cathodoluminescence topography,” Energy Procedia, vol. 2, no. 1, pp. 183–188, 2010.
[14]A. Tonomura, “Applications of electron holography,” Rev. Mod. Physics, vol. 59, no. July, pp. 639–669, 1987.
[15]D. Keller et al., “Assessment of off-axis and in-line electron holography for measurement of potential variations in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells,” Adv. Struct. Chem. Imaging, vol. 2, no. 1, p. 1, 2016.
[16]D. Camacho Mojica and Y.-M. Niquet, “Stark effect in GaN/AlN nanowire heterostructures : Influence of strain relaxation and surface states,” Phys. Rev. B, vol. 81, no. 19, p. 195313, May 2010.
[17]P. Lefebvre and B. Gayral, “Optical properties of GaN/AlN quantum dots,” Comptes Rendus Phys., vol. 9, no. 8, pp. 816–829, Oct. 2008.
[18]H. S. Kim et al., “Mechanism of carrier accumulation in perovskite thin-absorber solar cells,” Nat. Commun., vol. 4, pp. 1–7, 2013.
[19]J. Oh, H. C. Yuan, and H. M. Branz, “An 18.2%-efficient black-silicon solar cell achieved through control of carrier recombination in nanostructures,” Nat. Nanotechnol., vol. 7, no. 11, pp. 743–748, 2012.