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Thèse (H/F) Etude expérimentale de la formation de nanoparticules de fer et fer-carbone dans un plasma réactif entretenu à basse pression

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mardi 28 juin 2022

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Informations générales

Référence : UMR5213-STETRI-017
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : mardi 7 juin 2022
Nom du responsable scientifique : Kremena Makasheva et Freddy Gaboriau
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Informations générales : Ce travail porte sur l'étude de la croissance de molécules carbonées de grande taille et de nanoparticules métallocarbonées induite par des agrégats organométalliques. Cette étude est adossée au projet scientifique ANR GROWNANO, dans lequel sont impliqués trois laboratoires toulousains : le LAPLACE, l'IRAP et le LCPQ. La motivation centrale du projet GROWNANO est d'avancer dans la compréhension des processus physico-chimiques impliqués dans la formation de la poussière d'étoiles, l'accent étant mis sur la poussière formée dans un environnement riche en carbone. Cette poussière est constituée de nanograins (tailles inférieures à ~ 100 nm) avec deux composantes principales : l'une à base de carbone (nanoparticules carbonées et hydrocarbures aromatiques polycycliques) et l'autre à base d'oxydes (silicates). Leur proportion dépend de la valeur du rapport d'abondance C/O au cours de leur formation dans les enveloppes d'étoiles évoluées et des éjectas de supernova. Ces environnements sont caractérisés par une large gamme de densités et de températures ainsi qu'une grande complexité chimique impliquant aussi des métaux (Ti, Al, Mg, Fe). Outre son impact en astrochimie, dévoiler le rôle du fer dans la formation des poussières est également d'un intérêt crucial pour étudier la croissance contrôlée et les propriétés de divers types de nanoparticules de fer ou de nanoparticules mixtes fer-carbone afin d'approfondir les connaissances en nanosciences et proposer de nouvelles applications dans le domaine des nanotechnologies.
Description du sujet de thèse :
L'objectif principal de cette thèse est d'élucider les mécanismes de formation de nanoparticules de fer et fer-carbone dans un plasma réactif entretenu à basse pression et de déterminer les propriétés structurales de ces nanoparticules avant et après leur incorporation dans des couches minces nanocomposites. Pour atteindre cet objectif, il serait nécessaire d'explorer les conditions opératoires de la formation des poussières dans un plasma réactif entretenu à basse pression dans un mélange Ar-hexamethyldisiloxane (HMDSO), en incluant des atomes de fer produits par pulvérisation cathodique.
Le travail demandé dans le cadre de la thèse sera de :
1. Réaliser une analyse de la pulvérisation des atomes de fer dans une décharge capacitive asymétrique d'argon. L'étude devrait être conduite dans une large gamme de conditions opératoires du plasma (pression, puissance injectée).
2. Evaluer l'efficacité de pulvérisation dans ce type de plasma via des diagnostics basés sur des mesures électriques (tension d'autopolarisation) et optiques (par spectroscopie optique d'émission - OES).
3. Réaliser une étude sur la taille, la forme et la densité des nanoparticules de fer déposées sur des différents types de substrats (silicium, quartz) pour pouvoir lier les caractéristiques des nanoparticules avec celles du plasma.
4. Conduire une étude sur le comportement du plasma lors de l'injection pulsée d'un précurseur riche en carbone (HMDSO) en simultané avec la pulvérisation du fer. La particularité ici sera d'identifier les conditions du plasma pour lesquelles les poussières se forment de façon cyclique dans la phase gaz. Pour cette partie, en complément des diagnostics précédents, la spectrométrie de masse sera appliquée pour pouvoir identifier les espèces réactives (atomes, molécules, ions) dans le plasma et décrire les différentes étapes de formation des poussières et les schémas réactionnels.
5. Décrire les propriétés structurales, morphologiques et optiques des nanoparticules et les couches minces nanocomposites en fonction des conditions du plasma.
6. Evaluer les analogues de laboratoire de poussières d'étoiles synthétisées dans le plasma en fonction de la valeur du rapport d'abondance C/O au cours de leur formation. Décrire le rôle des métaux (fer) dans la formation des poussières carbonées et à base d'oxydes (silicatées).

Contexte de travail

Les travaux de recherche s'effectueront au sein du Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie – LAPLACE (équipes ScIPRA et GREPHE), localisé sur le site de l'Université Toulouse III Paul Sabatier, Toulouse. En lien avec les objectifs du projet GROWNANO, le ou la doctorant(e) sera amené(e) à travailler avec des chercheurs du l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) et le Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques (LCPQ). Les trois laboratoires, LAPLACE, IRAP et LCPQ se trouvent géographiquement sur le même site de recherche. Le ou la doctorant(e) aura accès à l'ensemble des équipements et techniques de caractérisation disponibles au LAPLACE, ainsi qu'aux techniques de caractérisation par microscopie électronique au Centre de Microcaractérisation Raymond Castaing à Toulouse.

Informations complémentaires

Le ou la candidat(e) doit être titulaire d'un diplôme de master 2 ou d'ingénieur. Le travail demandé requiert un goût pour le travail expérimental, la manipulation des outils de précision, ainsi qu'un très bon niveau scientifique général. Des connaissances en procédés de dépôt par plasma et caractérisation des matériaux sont requises pour mener à bien le projet. Des connaissances en matériaux diélectriques et physique des semiconducteurs seront aussi appréciées. Des compétences en programmation matlab ou python seront également un atout. Un goût développé pour des études interdisciplinaires sera un avantage. Il est aussi demandé au candidat une bonne aptitude à communiquer en français et en anglais et à rendre compte de ses travaux. Le candidat doit aimer travailler en équipe tout en faisant preuve d'autonomie, de dynamisme et de rigueur. A l'issue de ce projet, le candidat possèdera une solide expérience en procédés de dépôt par plasma de couches minces nanocomposites, caractérisation des matériaux, caractérisation optique, électrique à la fois du plasma et des couches minces nanocomposites synthétisées par plasma.

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