Description du sujet de thèse

Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre d’un programme de recherche collaboratif visant à développer une nouvelle génération de sources d’énergie bêtavoltaïques (BV). Ces dispositifs suscitent un intérêt croissant en raison de leur capacité à fournir une alimentation électrique durable et sans entretien dans des environnements extrêmes ou isolés, là où les batteries conventionnelles ou les panneaux solaires ne répondent pas aux exigences opérationnelles. Les systèmes BV exploitent l’énergie cinétique des particules beta (électrons ou positrons émis par un radioisotope) et la convertissent en énergie électrique via des interactions au sein d’un matériau semi-conducteur, de manière analogue à l’effet photovoltaïque observé dans les cellules solaires. L’avantage principal des générateurs BV réside dans leur longévité exceptionnelle, déterminée par la demi-vie de la source radioactive, plutôt que par des conditions environnementales externes. Cela les rend particulièrement fiables, compacts et durables pour des applications telles que l’exploration spatiale, la surveillance de l’intégrité des structures, les implants biomédicaux ou encore les systèmes de défense.
Cependant, les dispositifs BV actuellement disponibles sur le marché présentent des rendements de conversion énergétique limités, en raison de leur architecture semi-conductrice planaire. Ces structures planaires restreignent à la fois l’absorption efficace des particules β et la collecte optimale des porteurs de charge générés, ce qui conduit à des performances sous-optimales. Ce projet de thèse propose une approche novatrice pour surmonter ces limitations, en concevant, fabriquant et caractérisant des jonctions p-i-n à base de nanofils à structure cœur coquille, en utilisant des semi-conducteurs à large bande interdite tels que le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d’aluminium-gallium (AlGaN).
Grâce à l’utilisation de la géométrie cœur-coquille, le projet vise à améliorer la séparation et la collecte des porteurs, tout en augmentant la surface active de conversion sans accroître significativement l’encombrement du dispositif. Les matériaux à base de GaN sont particulièrement adaptés à cette application en raison de leur résistance aux radiations, leur stabilité thermique et leurs propriétés électroniques favorables. Le projet explorera différentes techniques de croissance telles que l’épitaxie par jets moléculaires ou la dépôt chimique en phase vapeur assisté par métal-organique au CEA-IRIG, des stratégies de nanofabrication et de caractérisation à l’institut Néel, ainsi qu’une modélisation du transport des particules beta et du dépôt d’énergie dans des géométries nanostructurées complexes.

Contexte de travail

L'Institut NEEL, UPR 2940 CNRS, est l'un des plus grands instituts de recherche nationaux français pour la recherche fondamentale en physique de la matière condensée enrichi d'activités interdisciplinaires aux interfaces avec la chimie, l'ingénierie et la biologie. Le laboratoire est rattaché au CNRS Physique. Il est situé au cœur d'un environnement scientifique, industriel et culturel unique. Il fait partie de l'un des plus grands environnements de haute technologie d'Europe en micro et nanoélectronique, juste à côté des Alpes françaises.
Au sein de l'institut Néel, l'équipe SC2G est spécialisée dans l'étude expérimentale de dispositifs électroniques et optoélectroniques à large bande interdite.
L’Institut NEEL est un laboratoire du CNRS. Le CNRS est un établissement public à caractère scientifique et technologique. Il a pour mission d’identifier, d’effectuer ou de faire effectuer, seul ou avec ses partenaires, toutes recherches présentant un intérêt pour l’avancement de la science ainsi que pour le progrès économique, social et culturel. Internationalement reconnu pour l’excellence de ses travaux scientifiques, le CNRS est une référence aussi bien dans l’univers de la recherche et développement que pour le grand public.


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