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Thèse de doctorat (H/F) sur la thermo-tomographie d'interfaces enterrées dans des micro-supercondensateurs

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

Date Limite Candidature : mercredi 24 août 2022

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Informations générales

Référence : UMR5295-JERMAI-001
Lieu de travail : TALENCE
Date de publication : mercredi 3 août 2022
Nom du responsable scientifique : Jérémie Maire
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 janvier 2023
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Contexte : Pour concevoir des solutions de gestion thermique efficaces, en particulier à petite échelle, il est essentiel de comprendre les mécanismes de transfert thermique, et donc de mesurer le transfert de chaleur et les propriétés thermiques. De nombreuses études de ce type ont été réalisées sur des échantillons spécialement conçus, mais il reste difficile de caractériser des dispositifs en fonctionnement. En effet, malgré les techniques permettant d'accéder à la température dans un matériau à partir de mesures de surface, il est scientifiquement et technologiquement intéressant de cartographier la température et les propriétés thermiques en trois dimensions dans un dispositif en fonctionnement.

Ceci est particulièrement vrai dans le contexte actuel d'une société intelligente qui repose de plus en plus sur des dispositifs autonomes et des capteurs avec de multiples composants intégrés sur la puce. Les supercondensateurs constituent une solution de stockage d'énergie prometteuse pour les applications nécessitant des taux de charge/décharge plus élevés et une meilleure cyclabilité que les batteries (jusqu'à 1000x celle des batteries Li-ion). Les performances et les caractéristiques de ces dispositifs sont fortement impactées par les températures externes et la dissipation de chaleur pendant les cycles de charge/décharge, notamment via l'effet Joule. [1] Les micro-supercondensateurs (MSC) sur puce, en particulier, gagnent en popularité, mais peu d'études portent sur leurs propriétés thermiques. Les mesures fourniront des avantages inestimables pour les conceptions futures mais restent un défi. Les MSC sont par nature des dispositifs multi-échelles, que ce soit en termes de taille, de l'échelle nanométrique à l'échelle millimétrique, ou de temps, de la sous-milliseconde aux heures. Ils sont également hétérogènes, car les électrodes, le substrat et l'électrolyte sont constitués de matériaux différents. Il est donc nécessaire de mettre au point une technique adaptée aux dispositifs hétérogènes et multi-échelles qui tienne compte des phénomènes multiphysiques, notamment la conduction, le rayonnement et potentiellement la convection à plusieurs échelles spatio-temporelles. Les techniques optiques sont idéales pour accéder à ces échelles. Les longueurs d'onde infrarouges peuvent être utilisées pour accéder à des informations dans la profondeur des matériaux, car de nombreux matériaux courants tels que le silicium sont semi-transparents dans l'infrarouge moyen. Les méthodes d'inversion permettent ensuite de retrouver les propriétés des matériaux et, éventuellement, de reconstruire les sources de chaleur enterrées. [2,3]

Objectifs : Cette thèse a deux objectifs principaux. Le premier sera de développer un système expérimental capable de reconstruire le champ de température 3D en fonction du temps dans une microstructure hétérogène en utilisant des techniques optiques sans contact. En pratique, le(la) candidat(e) partira d'un dispositif de thermo-transmittance en cours de développement et l'améliorera pour obtenir des informations résolues en temps en trois dimensions. Le deuxième objectif sera d'appliquer cette nouvelle technique à la caractérisation thermique complète des MSC en fonctionnement. À partir des mesures, nous retrouverons le comportement thermique temporel des différents matériaux, dont T(x,y,z,t) et les propriétés thermiques. Nous fournirons ensuite des directives de conception thermique basées sur les données obtenues avec différentes conceptions de MSC, en particulier les résistances d'interface thermique.

Méthode : Le(La) candidat(e) développera un système confocal de thermo-transmittance à résolution temporelle pour accéder aux informations de température à l'intérieur des dispositifs. Un laser supercontinuum dont la longueur d'onde s'accorde du visible à l'infrarouge moyen sera utilisé pour éviter le problème d'opacité des matériaux solides. La large gamme de longueurs d'onde présente deux autres avantages : (i) elle peut être ajustée pour s'adapter aux propriétés optiques de nombreux matériaux et (ii) elle permettra d'effectuer des mesures de spectroscopie confocale, qui fourniront des informations supplémentaires sur la chimie locale des matériaux, comme l'électrolyte. Combiné à la microscopie confocale, cela permettra la cartographie 3D des propriétés thermophysiques du dispositif. Le(La) candidat(e) devra ensuite post-traiter les données. Il s'agira dans un premier temps d'améliorer la résolution en-deçà de la limite de diffraction en combinant les déplacements des échantillons avec un algorithme qui a été récemment développé dans l'équipe. L'obtention des propriétés thermiques des matériaux et la reconstruction du profil spatio-temporel des sources de chaleur se feront par des méthodes d'inversion, qui constituent également l'un des principaux savoir-faire de l'équipe hôte. La méthode des quadripoles, parmi d'autres modèles analytiques et numériques, sera appliquée aux champs de température 3D pour extraire les résistances des interfaces thermiques.
Pour atteindre le deuxième objectif, à savoir la caractérisation des micro-supercondensateurs, le(la) candidat(e) devra également fabriquer certains échantillons en salle blanche, ce qui implique des étapes de lithographie et d'évaporation métallique. Ces échantillons seront utilisés pour tester les performances et les limites du montage optique. En collaborant avec des équipes de recherche spécialisées dans l'étude des dispositifs micro-énergétiques, nous aurons accès à des dispositifs de pointe afin de proposer des directives de conception et d'intégration pour leurs MSC.

Références :
1. Xiong G., Kundu A., Fisher T. S. Thermal Effects in Supercapacitors; SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology; Springer International Publishing: Cham, 2015.
2. Groz M.-M., Abisset-Chavanne E., Meziane A., Sommier A., Pradère C. "Bayesian Inference for 3D Volumetric Heat Sources Reconstruction from Surfacic IR Imaging". Appl. Sci. 10 (5), 1607, (2020).
3. Pailhes J., Pradere C., Battaglia J.-L., Toutain J., Kusiak A., Aregba A.W., Batsale J.-C. "Thermal Quadrupole Method with Internal Heat Sources". Int. J. Therm. Sci. 53, 49–55, (2012).

Contexte de travail

Vous serez accueilli au sein du groupe Imagerie et Caractérisation Thermique de l'I2M, qui possède une forte expertise dans la caractérisation expérimentale du transfert de chaleur (thermo-spectroscopie IR, tomographie, mesures photothermiques et technique du point volant pour citer les principales) avec des méthodes numériques inverses qui ont été utilisées avec succès pour l'imagerie super-résolution et la reconstruction de sources de chaleur 3D embarquées.
L'I2M est un institut de recherche situé sur le campus de l'Université de Bordeaux. Vous travaillerez aux côtés d'autres doctorants et de plusieurs chercheurs permanents ayant une expertise avérée dans le domaine. Le campus est situé à 15 minutes du centre de la ville de Bordeaux, classée au patrimoine mondial de l'UNESCO. Vous serez sous contrat de travail CNRS avec un salaire compétitif et une assurance maladie incluse.

Informations complémentaires

Profil recherché : Master ou diplôme équivalent en physique, ingénierie, optique ou domaines associés.
Compétences et connaissances requises : Optique et systèmes optiques, Spectroscopie, Transfert de chaleur.
Compétences supplémentaires requises :
- Expérience pratique avec des logiciels tels que Matlab et Labview.
- Niveau d'anglais commercial requis.
- Expérience pratique en laboratoire dans le domaine de l'optique.

Le(La) candidat(e) devra être actif(ve) et rigoureux(se), curieux(se) et désireux(se) de réaliser des travaux expérimentaux. Il(elle) doit également avoir de bonnes capacités de communication et aimer travailler dans un environnement collaboratif. Il(elle) participera régulièrement aux réunions du groupe et devra diffuser ses résultats lors de conférences ainsi que par le biais de publications écrites.
Cette offre de doctorat est un travail hautement expérimental combinant développement expérimental, micro-fabrication et optique au sein du projet ANR TTIMSCAP. Le(La) candidat(e) sera supervisé et aidé par des personnes ayant une grande expérience dans ces domaines (Jérémie Maire (Chargé de recherche), Stéphane Chevalier (Maître de Conférence) et Jean-Luc Battaglia (Professeur)), mais il est attendu qu'il(elle) contribue et joue un rôle de premier plan dans les principaux aspects du projet.

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