Description du sujet de thèse

L’objectif de ce sujet de thèse est ainsi de réaliser des nanostructures à base d’alliages InGaN à fort taux d’indium puis de les utiliser comme photoélectrodes pour la production PEC d’H2 avec une efficacité supérieure à 10%. De plus pour améliorer le transfert de charges photogénérées et la stabilité du matériau, le dépôt en surface du SC d’un co-catalyseur d’oxyde de métaux de transition ou d’un dichalcogénure de métal de transition de type MoSe2 est envisagé.
Cette thèse est financée dans le cadre du projet CNRS MITI “HydroGaN” regroupant le CRHEA et l’ICPEES spécialisés respectivement dans la fabrication de matériaux nitrures et les procédés de catalyse hétérogène. Le/la doctorant(e) pourra ainsi bénéficier de la complémentarité des expertises des deux laboratoires.
Plus précisément il/elle utilisera les outils de croissance épitaxiale (MOCVD et MBE) et de caractérisations (microscopie électronique à balayage (SEM) et à transmission (TEM), cathodoluminescence) disponibles au CRHEA et participera aux mesures de performances photoélectrochimique à l’ICPEES (mesures de voltamétrie cyclique pour la photo conversion, spectroscopie d’impédance, chromatographie en phase gaz sous irradiation pour la production de H2 et O2). Il/elle participera ainsi à toutes les étapes, de la fabrication des nanostructures à leur caractérisation photoélectrochimique et communiquera ses résultats à travers des publications scientifiques ainsi qu’en conférences. En pratique la thèse sera basée au CRHEA à Valbonne mais plusieurs missions (d’un à plusieurs mois en fonction des résultats obtenus) auront lieu à l’ICPEES à Strasbourg pour caractériser les échantillons. La thèse se déroulera en co-direction entre le CRHEA (direction Blandine Alloing) et l’ICPEES (co-direction Thomas Cottineau).

Contexte de travail

Le dihydrogène H2 est impliqué dans de nombreux processus chimiques et émerge comme un vecteur d’énergie d’avenir stockable, transportable et utilisable sur demande comme combustible ou pour la production électrique via une pile à combustible (PaC) avec pour seule émission, de l’eau. Actuellement pour des raisons économiques l’hydrogène est produit à 95% à partir d’énergie fossiles. Pour réduire l’émission de gaz à effet de serre, des projets de grande ampleur se développent pour produire de l’hydrogène « bas carbone » par électrolyse de l’eau et qui peut même être « vert » en utilisant de l’électricité d’origine renouvelable.
En effet, la photocatalyse de l’eau et les approches photoélectrochimiques (PEC) de type « feuille artificielle » développées au niveau de la recherche ne nécessitent pas d’apport externe d’électricité puisqu’elles reposent uniquement sur l’apport d’énergie solaire pour la production d’H2 de grande pureté, particulièrement adapté pour les applications en PaC. Le principe de ces approches repose sur l’utilisation de matériaux semi-conducteurs (SCs) pouvant absorber efficacement les photons pour générer des porteurs de charge (paires électron-trou), transporter ces charges vers les sites réactionnels avant qu’elles ne se recombinent et faciliter les réactions d’oxydation et de réduction ciblées.
Parmi les matériaux envisagés pour ces systèmes, les alliages InGaN/GaN présentent l’avantage d’avoir une bande interdite pouvant couvrir tout le domaine du visible en variant la composition d’indium tout en gardant une bonne stabilité en milieu acide. On estime ainsi qu’avec 50% d’indium (avec une énergie de bande interdite Eg≈1.7 eV) il est possible de collecter une large partie du spectre solaire tout en ayant des niveaux de bande de valence et de conduction idéalement placés pour les réactions d’oxydation et réduction de l’eau. On pourrait ainsi obtenir des rendements théoriques STH de 27%, bien supérieurs aux oxydes métalliques utilisés tels que le TiO2 ou le WO3
Au-delà des propriétés intrinsèques du matériau, on peut augmenter l’efficacité des dispositifs en jouant sur leur morphologie. L’utilisation de nanostructures telles que les nanofils permet d’augmenter la surface active comparativement à une couche planaire assurant un plus grand nombre de sites disponibles pour les réactions photoélectrochimiques.
L’épitaxie d’alliage InGaN à forte composition en indium est cependant un challenge en raison des phénomènes de séparation de phase entre les deux binaires InN et GaN et la formation de dislocations à l’interface couche-substrats. Deux approches actuellement explorées au CRHEA sont envisagées pour y répondre. La première consiste à réaliser la croissance par MOCVD (Metal Organic Vapor Phase Deposition) d’InGaN sur des nanofils GaN en géométrie « coeur-coquille » afin de tirer parti de l’excellente qualité structurale des nanofils et de la croissance sur leurs facettes latérales non polaires. La seconde consiste à réaliser la croissance d’InGaN sur GaN poreux obtenu par MBE (Molecular Beam Epitaxy) pour bénéficier d’une relaxation de la contrainte du substrat et augmenter la teneur en indium.

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.

Contraintes et risques

Titulaire d’un diplôme de Master (ou équivalent) en physique, chimie ou science des matériaux.
Un goût prononcé pour le travail expérimental et la volonté d’apprendre différentes techniques de fabrication et de caractérisation.
Etre préparé(e) à voyager entre les 2 laboratoires partenaires. Aussi de bonnes capacités de communication et un goût pour le travail en équipe sont également nécessaires.