Description du sujet de thèse

Nanostructures innovantes pour la détection multispectrale infra-rouge et les dispositifs de batteries betavoltaïques autonomes - Synthèse par épitaxie MOVPE et HVPE. Thèse en co-tutelle avec le Canada, Mac Master University - 18 mois au Canada, 18 mois en France - Résumé : la thèse adresse de nouveaux paradigmes pour : i) la fabrication de détecteurs infra-rouge multi-spectraux sur un support unique et à bas coût ; ii) la fabrication de batteries autonomes pour la conversion de l'énergie betavoltaïque en énergie électrique. Les cellules betavoltaïques sont des sources électriques utilisables pour les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), des capteurs embarqués, des stimulateurs biomédicaux, des applications spatiales, plus généralement pour tout système électronique où la taille et/ou l’accessibilité sont un problème. Les cellules betavoltaïques résistent à des conditions extrêmes et ont une durée de demi-vie très longue (100 ans pour 63Ni). Ces cellules sont équivalentes aux piles alcalines et peuvent fonctionner de façon continue et sans danger sur des périodes de plusieurs dizaines d’années sans recharge. Les sources betavoltaiques sont réalisées à partir d’une structure p-i-n équivalente à une cellule photovoltaïque, mais ce sont des radiations beta qui sont absorbées. Le choix de synthétiser les dispositifs à base de réseaux de nanofils de semiconducteurs denses constitue une rupture technologique par rapport aux dispositifs planaires aujourd'hui commercialisés. Le contrôle de la morphologie des nanofils (diamètre et hauteur) et de leur densité permet la détection de plusieurs longueurs d'onde sur un même dispositif-composant, le rendement de conversion énergétique est par ailleurs augmenté pour les applications du betavoltaïque. La thèse repose sur une collaboration internationale pérenne engagée depuis 2019 et contractualisée (contrats Région AURA PAI Nanospring et Alliance Grants du Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Quantum nanowires).
L’Institut Pascal (IP) est le seul laboratoire à synthétiser des nanofils arséniures (Ga,In)-As par le procédé d’épitaxie en phase vapeur hydrures (HVPE) avec deux réacteurs HVPE de conception home-made uniques au monde et spécifiques de l'identité internationale de l'UMR sur la thématique. Le procédé HVPE utilise des précurseurs de croissance gazeux chlorés (GaCl, InCl) et hydrure (AsH3), qui permettent un contrôle des morphologies de structures par condensation (transformation de phase gaz-solide) des cristaux semiconducteurs (ou croissance épitaxiale) inédits aux échelles micro- et nanométriques. En régime de croissance sélective, il permet la synthèse de nanofils ultra-longs sur des sites prédéterminés. Ces avantages sont décisifs pour des dispositifs à base de nanofils longs [1] et organisés. L'Université Mc Master dispose de l'expertise liée aux sources betavoltaïques (63Ni) et de plateformes de transfert technologique électronique ad-hoc (association beta/électronique unique sur un même site), ainsi que d'un réacteur de croissance épitaxiale de type MOVPE (VPE à base de précurseurs organo-métalliques), procédé complémentaire à la HVPE.
Le travail de Doctorat sera réparti en deux temps. Lors de la première période, le doctorant sera basé à McMaster et mettra en place des caractérisations électriques, optiques et structurales de structures d'ores et déjà épitaxiées et disponibles. Il pourra bénéficier de l’expertise de McMaster et des équipements disponibles au Centre de Microscopie CCEM-McMaster (dont des microscopes électroniques en transmission à très haute résolution). Il sera également formé au procédé de croissance MOVPE pour l’épitaxie de nouvelles structures hybrides MOVPE/HVPE.
Durant la deuxième période, le doctorant sera basé à l’IP, pour conduire des expériences de croissance HVPE, couplées à des modélisations cinétiques et thermodynamiques, de réseaux de nanofils. Des campagnes de dopages n et p seront menées sur des réseaux de fils binaires (InAs et GaAs) et ternaires (InGaAs). Les dispositifs pour la détection infrarouge et des convertisseurs d’énergie nucléaire/électrique [2] seront par suite fabriqués à McMaster. Cette tâche permettra au doctorant d’acquérir des compétences technologiques des procédés en salle blanche (fabrication et caractérisations des dispositifs à base de semiconducteurs).
[1] CrystEngComm 2021, Advanced paper, https://doi.org/10.1039/D0CE01385D
“Long catalyst-free InAs nanowires grown on silicon substrate by HVPE”
G. Grégoire, E. Gil, M. Zeghouane, C. Bougerol, H. Hijazi, D. Castellucci, V. Dubrovskii, A. Trassoudaine, N. Isik Goktas, Ray R. LaPierre, Y. André.
[2] Journal of Applied Physics 127 (24), 244303, https://doi.org/10.1063/1.5138119
“Design and optimization of nanowire betavoltaic generators“
DL Wagner, DR Novog, RR LaPierre.

Contexte de travail

L'Institut Pascal est une UMR de CNRS Ingénierie. Il rassemble les sciences de l'ingénierie du site clermontois. L'Institut comprend 400 personnels dont 130 doctorants du génie des procédés, de la robotique, de la mécanique, de la physique pour les TIC et de l'ingénierie médicale. La thèse sera développée au sein de l'Axe de recherche de la physique pour les TIC (Axe PHOTON), dans l'équipe HVPE (3 professeurs et 1 ingénieur). Pour la partie canadienne, le groupe de R. LaPierre travaille au Department of Engineering Physics. La collaboration entre l'Institut Pascal/HVPE et Mc Master University est établie depuis 2019 et compte 1 thèse soutenue en 2024 en co-tutelle.

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.

Informations complémentaires

Allocation doctorale de l'UCA (moitié) et de l'Université Mc Master (moitié). Embauche au 1er octobre 2024.