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(H/F) Phénomènes de couplages entre le transport thermique et électronique à l'origine d'effets thermoélectriques exotiques

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

Date Limite Candidature : dimanche 1 août 2021

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Informations générales

Référence : UMR5306-STEPAI-003
Lieu de travail : VILLEURBANNE
Date de publication : jeudi 22 juillet 2021
Nom du responsable scientifique : Stéphane Pailhès
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 4 octobre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Nous proposons un sujet de thèse de physique fondamentale sur les études des mécanismes microscopiques de couplage entre le transport électronique et thermique dans le cadre d'une ligne de recherche sur la thématique de la thermoélectricité. Les effets thermoélectriques permettent de concevoir des dispositifs qui peuvent soit fonctionner en mode générateur en convertissant la chaleur en énergie électrique (effet Seebeck) soit, quand ils sont alimentés électriquement, être utilisés en mode pompe à chaleur pour refroidir ou chauffer une surface (effet Peltier). Ainsi pour de nombreuses problématiques reliées à l'énergie (réduire la part des énergies fossiles, autonomie électrique des systèmes, régulation thermique d'éléments etc.), les dispositifs thermoélectriques apportent des solutions technologiques. Cependant, malgré des évolutions remarquables ces trois dernières décennies, les performances des modules thermoélectriques nécessitent d'être significativement augmentées pour leur permettre de se déployer en masse. La limitation se situe au niveau des performances intrinsèques des matériaux utilisés. Un effort de recherche fondamental est nécessaire pour identifier de nouveaux concepts et provoquer des ruptures technologiques.

Dans les systèmes cristallins, les effets thermoélectriques sont déterminés par les propriétés des gaz d'excitations élémentaires ou quasi-particules associées aux mouvements collectifs des électrons et des atomes, les phonons, et par les échanges d'énergies et de particules aux contacts avec les réservoirs de chaleur et de charges. La connaissance des modes propres d'excitations (leur énergies, polarisation, statistiques et temps de vie) permet de décrire les propriétés thermodynamiques à l'équilibre et hors équilibre. Les effets thermoélectriques résultent des phénomènes de transport de ces gaz mis hors équilibre thermodynamique et soumis à un gradient de température et/ou une différence de potentiel électrique. Les outils numériques ab initio modernes et les approches expérimentales spectroscopiques permettent de cartographier ces états en vecteurs d'ondes et en énergie, ce qui est nécessaire pour résoudre les équations de transport des charges et des phonons à partir desquelles sont déterminées les coefficients et l'efficacité thermoélectriques des matériaux, où figure de mérite « ZT ». C'est donc à ce niveau que peuvent être élaborées de nouvelles stratégies. Habituellement, les interactions électrons-phonons correspondent à des processus de diffusion qui, dans les équations de transport, conduisent à une réduction des libres parcours moyen des particules. Cependant, dans certains matériaux et aux basses températures, un fort couplage est responsable d'effets thermoélectriques géants dont le mécanisme physique reste encore à élucider. L'objectif de la thèse est précisément d'étudier l'origine microscopique de cet effet dans différents systèmes massifs et nano-structurés en couplant l'approche expérimentale et théorique. Expérimentalement, l'étudiant sera amené à faire des mesures thermoélectriques macroscopiques en laboratoires et des mesures spectroscopiques dans les très grandes infrastructures (TGI) de recherche principalement Europe (synchrotrons, sources de neutrons et XFEL). La fréquence des expériences en TGI est de l'ordre de quelques expériences annuelles concentrées sur quelques jours avec des plages horaires de travail élargies (jour/nuit et week-end). Théoriquement, les mécanismes microscopiques du couplage électron-phonon seront étudiées et modélisées sur la base de techniques ab initio (DFT) et de formalismes utilisant des fonctions de Green.

Ce projet de thèse est financé par un programme de recherche collaboratif entre l'Université de Witwatersrand en Afrique du Sud et l'Institut Lumière Matière à Lyon en France. L'étudiant sera principalement basé à Lyon et sera amené à séjourner entre 10 et 20 % du temps de thèse en Afrique du Sud. Il évoluera au sein de deux équipes qui mettent en commun leurs expertises et savoir-faire pour ce nouveau programme de recherche. Le profil recherché est un physicien de la matière condensée, très motivé par la recherche fondamentale, acceptant de s'engager dans un projet couplant théorie et expérience et qui est à l'aise en programmation.

Contexte de travail

Ce projet de thèse est financé par un programme de recherche collaboratif entre l'Université de Witwatersrand en Afrique du Sud et le CNRS à l'Institut Lumière Matière (ILM) à Lyon en France. L'étudiant sera principalement basé à Lyon et sera amené à séjourner entre 10 et 20 % du temps de thèse en Afrique du Sud. L'ILM est une unité mixte de recherche CNRS et UCBL. A l'ILM, l'étudiant(e) intégrera l'équipe "(Nano)Matériaux pour l'Energie" sur la thématique thermoélectricité portée par S. Pailhès. Il fera un travail expérimental en laboratoire et dans des très grandes infrastructures de recherche (Neutrons, Synchrotron et XFEL) ainsi qu'un travail en théorie (ab initio)

Contraintes et risques

L'étudiant(e) sera améné à faire des expériences de neutrons et de rayons X en synchrotron

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