Description du sujet de thèse

Au CNRS, l'Institut Pprime, basé sur le site du Campus-Poitiers, recrute un doctorant dans le cadre d'un projet de recherche en collaboration avec le Laboratoire LOMA à Bordeaux.
Le sujet de la thèse aborde le volet des propriétés thermiques du VO2 et le travail se déroulera en deux parties.
Dans la première partie, nous nous attacherons à faire une étude approfondie en fonction de la température, du comportement de la conductivité thermique k et de la chaleur spécifique cv de films minces cristallins du VO2 qui nous seront fournis par nos collaborateurs de l'IRCER à Limoges. Le travail sera de nature expérimentale et théorique. Plusieurs paramètres pourront être considérés, comme l'épaisseur du film du VO2, la nature du substrat, la nature et le pourcentage du dopage que peut subir le VO2, etc. L'objectif est de faire une étude la plus complète possible associant des mesures expérimentales et une analyse théorique afin d'apporter plus d'éléments de compréhension aux comportements thermiques de k et de cv dans les deux régimes ; chauffage et refroidissement, au niveau de la zone de transition de phase du VO2 et l'impact que peuvent avoir les différents paramètres cités ci-dessus sur la boucle d'hystérésis en termes de position de Tc, de largeur et d'amplitude. Un point en particulier à élucider dans cette première partie, concernera la nature du pic apparent dans le comportement de k dans le régime du refroidissement qui a été révélé dans les rares études antérieures.
Dans cette première partie, le travail expérimental fera usage d'une technique très puissante à la pointe de l'état de l'art dans le domaine de la métrologie thermique, il s'agit de la technique de thermoreflectance résolue en temps (Time Domain Thermoreflectance : TDTR). Cette technique est dotée d'une excellente résolution temporelle grâce à l'utilisation de lasers impulsionnels picosecondes ou femtosecondes, et est devenue dans les deux dernières décennies, un moyen incontournable pour mesurer les propriétés thermiques, particulièrement des couches minces. Son utilisation, nous permettra d'avoir accès aussi au comportement thermique de la résistance thermique d'interface entre la couche métallique (généralement Al) utilisée comme un transducteur dans la TDTR et le film du VO2. Ce dernier point, à lui seul, est très riche sur le plan fondamental, puisque l'étude nous permettra de comprendre un peu plus la nature du couplage entre les électrons et les phonons au niveau de l'interface et la manière dont ce couplage évolue lors de la transition de phase que subit le film du VO2 en fonction de la température.
Dans la deuxième partie, nous exploiterons les comportements thermiques de k et de cv du VO2 pour faire une étude détaillée du comportement d'une diode thermique conductive à base de VO2 dans les deux régimes de fonctionnement : stationnaire et transitoire. Il est à noter, que jusqu'à présent, seul le régime stationnaire a été étudié en détail et peu d'études ont été réalisées pour le régime transitoire de ce type de diode. La diode thermique conductive à base de VO2, constituera en effet, un très bon exemple d'isolant thermique intelligent dans le bâtiment ou d'autres secteurs. La possibilité de réduction de la température de transition du VO2 à des températures avoisinant la température ambiante constitue un point intéressant à exploiter. Cette étude une fois réussie, posera les bases d'une potentielle réalisation expérimentale et preuve du concept de la diode thermique conductive à base de VO2.
Le travail que l'on se propose de réaliser dans cette thèse viendra s'ajouter à une série de travaux déjà entamés au sein de notre équipe « Thermique aux Nanoéchelles et Rayonnement (TNR) » de l'institut PPRIME à Poitiers en collaboration avec des équipes de la région de La Nouvelle Aquitaine, au niveau de la fabrication et de la caractérisation structurelle des échantillons cristallins du VO2 (IRCER à Limoges) ainsi que la caractérisation des propriétés thermiques des films minces par TDTR (LOMA à Bordeaux). Cette étude se déroulera en étroite collaboration et complémentarité des aspects expérimentaux et théoriques, entre l'équipe TNR de PPRIME et le groupe « Transport d'Energie aux Petites Echelles (TEPE) » de l'équipe Photonique et Matériaux du LOMA à Bordeaux. La partie expérimentale concernant l'exploitation de la TDTR sera réalisée au sein du groupe TEPE du LOMA alors que la partie théorique et la modélisation se fera au sein de l'équipe TNR de PPRIME.

Contexte de travail

Le dioxyde de vanadium (VO2) constitue l'un des matériaux thermochromiques les plus intéressants et qui est depuis quelques années, le sujet de plusieurs études de recherche. Ce matériau manifeste une transition de phase réversible métal-isolant aux alentours d'une température critique Tc~68°C. Cette transition se produit sur un intervalle de temps ultra-court (quelques picosecondes) et elle est une conséquence directe de la transformation structurale que subit ce matériau en passant d'une structure monoclinique en basses températures à une structure tétragonale-rutile en hautes températures. Au voisinage de Tc, les propriétés physiques ; électriques, optiques et thermiques du VO2 subissent des variations abruptes. Ces variations sont très avantageuses et permettent d'envisager plusieurs applications technologiques prometteuses ; capteurs thermiques, switches optiques, électriques et thermiques, fenêtres et surfaces intelligentes, traitement de surfaces pour améliorer le confort thermique dans le bâtiment, ou encore la conception et la réalisation de composants thermiques ayant des comportements analogues aux composants électroniques comme la diode, le transistor et le memristor. Cette dernière application ouvrirait la voie à la réalisation de toute une architecture de traitement d'information purement photonique sans contact ou bien purement phononique ou encore une combinaison des deux, qu'on pourrait intituler « Thermotronique ».

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

Le ou la Doctorant(e) sera basée à Poitiers et à Bordeaux :
- la partie théorique et la modélisation se fera au sein de l'équipe TNR de l'institut PPRIME à Poitiers,
- la partie expérimentale du travail de la thèse concernant l'exploitation de la TDTR sera réalisée au sein du groupe TEPE du LOMA à l'université de Bordeaux.

Des déplacements de courte durée, en France et à l'étranger, sont à prévoir.

Informations complémentaires

Le(la) candidat(e) devra être titulaire d'un Master 2 ou équivalent.
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Le (la) doctorant(e) sera inscrit(e) à l'école doctorale de l'Université de Poitiers.
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Le (la) candidat(e) devra avoir un profil de physicien(ne) avec de bonnes compétences en physique de la matière condensée, transfert de chaleur, optique des lasers et calcul numérique.
Il (elle) doit être motivé(e) pour mener des travaux à la fois théoriques et expérimentaux (instrumentation, mesure, conception et analyse).
Une bonne maîtrise de l'anglais écrit/parlé est indispensable, ainsi qu'une bonne aptitude au travail en équipe.
Une attention particulière sera accordée à la maturité et l'autonomie du (de la) candidat(e) et à sa curiosité scientifique.