Description du sujet de thèse

Dans le contexte du réchauffement climatique, la conversion directe de l'énergie solaire en carburant hydrogène, stockable, transportable et réutilisable sur demande, par dissociation de l'eau, a suscité beaucoup d'attention ces dernières années. D'un point de vue environnemental, cette solution, proche de l'idéal, allie les avantages de la production d'énergie solaire renouvelable à l'absence d'émission de CO2. Au-delà des nombreuses voies de production d'H2, la conversion solaire-carburant est donc une voie durable très prometteuse. Ainsi, dans le cadre du PEPR H2 décarboné, le projet NAUTILUS rassemble 5 partenaires académiques (Institut FOTON et Institut des Sciences Chimiques de Rennes, l'Institut Européen des Membranes à Montpellier, le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies à Saclay et enfin le CINaM) propose une solution pour développer une technologie de cellule photoélectrochimique (PEC) combinant le faible coût et la maturité technologique du Si et les hauts rendements pouvant être atteints avec les semi-conducteurs III-V, qui pourrait être mise en œuvre pour des applications pratiques de production d'hydrogène solaire. Ainsi, l'objectif général du projet est de faire la démonstration d'une cellule PEC robuste (longue durée de vie), autonome (fonctionnant sans tension appliquée) à haut rendement (STH >10%) en se basant sur des couches minces III-V à gap direct déposées sur Si (substrat à faible coût).
Les semi-conducteurs III-V ont tendance à se corroder sous l'effet des polarisations cathodique et anodique. La stabilité des électrodes III-V/Si nécessite le dépôt d'un film mince chimiquement stable qui n'entrave pas les performances photoélectrochimiques. C'est la mission du CINaM.
Le TiO2 a démontré sa capacité à protéger efficacement divers semi-conducteurs. La stratégie consiste donc à appliquer cette approche aux échantillons III-V/Si fabriqués par l'Institut FOTON partenaire de ce projet. Le CINaM est équipé d'un réacteur ALD commercial et d'un réacteur ALD fait maison qui ont déjà été utilisés avec succès pour protéger des photoélectrodes structurées en Si. Comme observé précédemment sur ce système, une attention particulière sera portée à l'influence des conditions ALD et les post-traitements sur les propriétés finales des électrodes. Une attention particulière sera portée sur l'interface entre le semi-conducteur III/V et la couche protectrice. Il est également connu que les couches protectrices de TiO2 ont un impact non négligeable sur l'efficacité globale de la photoconversion. L'objectif principal est de déposer des couches présentant le meilleur rapport épaisseur/protection. On pourra aussi étudier d'autres films protecteurs. Dans cette tâche plus risquée, le CINaM investiguera d'autres oxydes tels que Al2O3 MnOx Fe2O3 ou des oxydes mixtes tels que Fe2TiO5 ou Ti1-xMnxOy. Ils présentent tous des propriétés protectrices intéressantes dans différentes conditions chimiques et certains d'entre eux présentent même une activité catalytique supplémentaire. Ils peuvent donc protéger et améliorer les performances en aidant les électrodes III-V/Si dans les processus de photoconversion. Des couches minces de nitrure telles que TiN ou TaNx sont également envisagées car elles sont stables et présentent des propriétés semi-conductrices proches de celles du TiO2 mais avec un positionnement de bande différent. Comme il est difficile de faire croître directement des nitrures purs, une étape de nitruration sera effectuée après le dépôt.

Contexte de travail

Ce travail de thèse se déroulera au sein du CINaM (UMR CNRS -Aix-Marseille Univ). Il s'inscrit dans le cadre d'un projet collaboratif mené avec quatre autres partenaires cités plus haut. La thèse consistera à déposer des films d'oxydes par Atomic Layer Deposition (ALD). Nous évaluerons les effets des différents paramètres de dépôt sur le propriétés protectrices des films tout en maximisant la production de O2 ou de H2. Nous attacherons une importance particulière à la morphologie des films en fonction des substrats et nous étudierons les couches interfaciales qui sont déterminantes dans ces phénomènes. Les propriétés anti-corrosion ainsi que les performances (photo-) électrochimiques de ces systèmes seront évaluées et corrélées à leurs propriétés physico-chimiques. Les électrodes recouvertes de films protecteurs seront étudiées à l'aide des différentes techniques analytiques disponibles au sein du laboratoire. La morphologie sera observée par microscopie électronique (SEM et TEM), la structure cristalline par diffraction des électrons et des rayons X et la composition chimique par XPS (collaborations établies et prochainement sur l'instrument en cours d'achat au CINaM).

La personne recrutée interagira avec des chimistes et des physiciens. Titulaire d'un Master 2, le ou la candidate devra posséder des connaissances fondamentales en science des matériaux et/ou en électrochimie. Il/elle améliorera son expertise en matière de croissance et de caractérisation des couches minces ainsi que ses compétences techniques dans les systèmes à vide et les caractérisations de surfaces.
Une bonne pratique de l'anglais est requise.

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

Utilisation de produits chimiques standard de laboratoire.
Déplacements en France au sein du consortium de 5 laboratoires pour réunions d'avancement.