Offres de Thèses

PhD position in advanced microscopy

Transmission electron microscopy (TEM) and atom probe tomography (APT) are ultimate characterization techniques enabling the inspection of materials at the atomic scale. These two microscopy techniques are currently used separately to provide correlative microscopy analyses of materials [1]. Whereas recent instrumental developments of TEMs allow combing high-resolution imaging with mapping of physical properties, APT remains the only techniques able to reconstruct volumes of materials with atomic sensitivity [2]. Nevertheless, APT suffers from artefacts which limit spatial resolution. A way to overcome its limitations would be to image APT specimens at the nanometre scale during their analysis in APT but this is not yet possible. A very challenging task would hence be to combine APT and TEM in a single instrument, in order to image APT specimens but also to access a much deeper and complete characterization of nano-objects [3].

 

Researchers of the GPM are working on the combination of atom probe tomography and transmission electron microscopy in a new instrument. They have raised a 2 million euros funding for this project, which includes a PhD position. The GPM has a long experience in the conception of Atom Probe Tomography and of its coupling with other techniques. This new project is a new major challenge for the group.

 

Date de démarrage : Autumn 2021

Durée : 3 ans

Contact williams.lefebvre@univ-rouen.fr

Physique de surface et transformations de phase sous hydrogène

https://doctorat.campusfrance.org/CF202118421

 

Contexte

Le développement de l'utilisation des piles à combustible dans l'industrie du transport est limité aujourd'hui notamment par les problèmes liés au stockage du combustible hydrogène [1]. Parmi les solutions envisagées, le stockage sous forme solide (hydrures par exemple) offre des avantages certains en terme de sécurité. De plus, certains hydrures comme les hydrures de magnésium possèdent théoriquement une très grande capacité massique et volumétrique comparé aux méthodes traditionnelles de stockage sous forme liquide ou gazeuse à haute pression. Les enjeux aujourd’hui sont sur le contrôle des cinétiques d'absorption et désorption de l'hydrogène en jouant sur plusieurs facteurs, d’une part la chimie en ajoutant des éléments catalyseurs [2, 3] et la structure en introduisant des défauts cristallins ou des phases secondaires [4]. Il s’agit de favoriser la dissociation de H2 (effet catalytique), d’augmenter le nombre de sites de germination des hydrures et de créer des chemins de diffusion facilités pour H2. Cependant, si au cours d’un cycle de charge/décharge, l’ensemble du matériau est transformé, les mécanismes de ces transformations (adsorption de H2, dissociation, diffusion, puis germination et croissance des hydrures) sont aujourd’hui très mal connus car extrêmement difficile à observer. En effet, les hydrures sont stables uniquement dans des conditions de pression et de température généralement incompatible avec les techniques de microscopie.

 

Objectifs généraux

L’objectif de cette thèse est double. Il s’agit d’une part de coupler des expériences par Microscopie Electronique à Transmission (MET) et microscopie ionique pour étudier la physique des interactions entre H2 et les surfaces. D’autre part, nous reproduirons in-situ en MET les conditions optimales pour l’absorption d’hydrogène (formation d’hydrures) ou sa désorption (transformation des hydrures en métal), et donc de suivre les mécanismes de ces transformations de phase à l’échelle nanométrique.

Ces travaux se dérouleront en particulier sur la plateforme GENESIS (GPM - Rouen, http://gpm.univ-rouen.fr/fr ) grâce au porte objet environnemental MET récemment acquis dans le cadre du projet CATHY. Il s’agit d’une cellule environnementale fermée où l’échantillon est confiné entre deux membranes étanches en SiNx transparentes aux électrons, capables de résister aux hautes pressions (jusqu’à 1 atm) et conçus via une technologie MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) pour un contrôle très précis de la température (jusqu’à 1000°C). Couplé à une caméra rapide, il est possible de suivre les réactions chimiques en temps réel.

La physique des interactions de surface sera étudiée sur des systèmes modèles, des nanoparticules de Pt. L’adsorption de H2 affectant l’énergie de surface, nous pourrons suivre les évolutions de morphologie en fonction de la pression et de la température. Ces observations seront corrélées à de l’imagerie par microscopie ionique effectuée sur des pointes de rayon de courbure nanométrique et donc parfaitement comparable. De plus, l’analyse par Sonde Atomique Tomographique pourra illustrer les réactions chimiques ayant lieu à la surface en présence d’un champ électrique intense, par exemple la formation de molécules d’hydrures ionisées. La physique des transformations de phase sera étudiée sur des alliages FeTi [6] et de magnésium. Les échantillons pour le MET seront réalisés par FIB.

Afin d’évaluer de manière réaliste les activités de recherche envisagées pour cette thèse, nous avons effectué des analyses tests en MET sur un alliage de magnésium et un alliage FeTi dopé au Mn et Cu [6]. La faisabilité de la préparation des échantillons par FIB a été validée sur les instruments et avec les personnels qualifiés de la plateforme GENESIS. Des observations en MET in-situ ont été effectuées sur le Mg et au-delà de la faisabilité technique, nous avons mis en évidence le rôle crucial de la pression partielle d’oxygène sur la transformation progressive du magnésium à grains ultrafins sous hydrogène. Ces travaux, publiés en 2020 [5], forment une base solide pour le lancement de cette thèse, à la fois parce qu’ils permettront de bien centrer les protocoles expérimentaux restant à affiner mais aussi parce qu’ils ont permis d’identifier les paramètres clés (pressions partielles de O2 et H2, température, etc…)

 

Stratégie

La première partie de cette thèse portera sur la physique des surfaces sous H2 à travers l’étude couplée MET et microscopie ionique. Cette étape permettra notamment de bien assoir la formation en MET et MET in-situ avant de passer dans un second temps à l’étude des transformations de phases qui sont un défi plus grand. Lorsque les protocoles expérimentaux seront bien établis, il sera ainsi finalement possible d’étudier de manière systématique les cinétiques de la réaction pour révéler le rôle exact des défauts (vecteurs d’une diffusion accélérée de l’hydrogène), des contraintes générées par le gonflement lié à l’absorption de l’hydrogène et des éléments catalyseurs. Sur la base de ces nouvelles connaissances fondamentales, nous devrions être capable en fin de thèse de proposer une stratégie pour développer de manière rationnelle des matériaux plus performants pour le stockage de H2 sous forme solide.

Bibliographie

1- Shyam Kocha, Bryan Pivovar, Thomas Gennett, Fuel cells, in Fundamentals of Materials for Energy and environnemental Sustainability, Ed by David S. Ginley and David Cahen, Cambridge University Press, 2012. 2- Stephen D. House, John J. Vajo, Chai Ren, Angus A. Rockett and Ian M. Robertson, Effect of ball-milling duration and dehydrogenation on the morphology, microstructure and catalyst dispersion in Ni-catalyzed MgH2 hydrogen storage materials, Acta Materialia 86 (2015) 55–68 3- Carsten Pohlmann, Lars Röntzsch, Siarhei Kalinichenka, Thomas Hutsch, Thomas Weißgärber, Bernd Kieback, Hydrogen storage properties of compacts of melt-spun Mg90Ni10 flakes and expanded natural graphite, Journal of Alloys and Compounds 509S (2011) S625– S628 4- J.X. Zou, C.F. Pérez-Brokat, R. Arruffat, B. Bolle, J.J. Fundenberger, X.Q. Zeng, T. Grosdidier, W.J. Ding, Nanostructured bulk Mg + MgO composite synthesized through arc plasma evaporation and high pressure torsion for H-storage application, Materials Science and Engineering B 183 (2014) 1–5 5- X. Sauvage, S. Moldovan, F. Cuvilly, E. Cadel, Mounib, T. Grosdidier, Influence of hydrogen on the oxidation mechanisms of ultrafine grained magnesium, Materials Chemistry and Physics 248 (2020) 122928 6- Erika M. Dematteis, Fermin Cuevas, Michel Latroche, Hydrogen storage properties of Mn and Cu for Fe substitution in TiFe0.9 intermetallic compound, Journal of Alloys and Compounds 851 (2021) 156075

 

Date de démarrage : Octobre 2021

Durée : 3 ans

Contact xavier.sauvage@univ-rouen.fr

Étude à l’échelle atomique des propriétés structurales et optiques de nano-objets

La Sonde Atomique Tomographique (SAT), technique phare du Groupe de Physique des Matériaux (GPM), permet d’analyser des pointes nanométriques grâce à l’évaporation ionique par effet de champ. Cette technique permet de reconstruire la distribution chimique d’un nano-objet en 3D, avec une résolution spatiale proche de l’échelle atomique. Dans les SAT assistées par laser, couramment utilisées dans les études de métaux, isolants et semiconducteurs, l’évaporation est déclenchée par une impulsion laser ultrarapide. Une astuce adoptée par l’équipe du GPM était de trouver la façon d’analyser la photoluminescence (PL) produite – simultanément à l’émission ionique – par l’impulsion laser. Il est devenu donc possible d’analyser la structure et les propriétés optiques d’un objet nanométrique simultanément.

 

Dans ce cadre, une thèse de doctorat est proposée. Le programme de la thèse peut s’articuler sur un ou plusieurs des volets suivants :

  • Extension de la technique de la SAT-PL in situ a des nouveaux systèmes d’émetteurs de lumières : puits ou botes quantiques, centres colorés (défauts) dans des matériaux diélectriques.
  • Étude des mécanismes d’interaction lumière-matière à la nano-échelle sous champ intense 
  • Amélioration de l’interface logicielle d’acquisition des données de SAT-PL.

La proposition de thèse s’adresse aux étudiants/étudiantes avec un bon niveau en physique du solide et des semiconducteurs, avec un intérêt particulier pour les études d’optique et de microscopie, et avec une forte orientation vers la recherche fondamentale. 

Début prévu : Octobre 2020

Durée : 3 ans

Contact lorenzo.rigutti@univ-rouen.frangela.vella@univ-rouen.fr

Phases magnétiques et transitions de phases magnétiques dans les oxydes antiferromagnétiques frustrés multiferroïques : étude par simulations numériques

Le but de ce projet de recherche est l’étude des propriétés magnétiques (détermination des différentes phases magnétiques et transitions de phases magnétiques) et du couplage magnéto-électrique dans les oxydes antiferromagnétiques frustrés, principalement les delafossites.

Financement : Allocation régionale (environ 1400 euros net/mois)

Contact : Pr. D. Ledue, Enseignant-Chercheur

Mail : denis.ledue@univ-rouen.fr

Etude expérimentale et numérique du comportement de composites aéronautiques sous flamme et chargement mécanique

Ce sujet de thèse s’inscrit dans la continuité du projet RIN (Réseau d’Intérêt Normand) AEROFLAMME (2018-2021) dont l’objectif principal est d’étudier le comportement de matériaux composites aéronautiques soumis à une flamme kérosène associée à une sollicitation mécanique via le développement d’un banc d’essais spécifique. Un banc d’essais original a été instrumenté à l’échelle laboratoire (par opposition à l’échelleindustrielle avec le bruleur certifié Nextgen) permet de reproduire fidèlement de manière répétable et dans des conditions contrôlées les scenarii critiques (incendie en vol) pour caractériser la tenue mécanique au feu des composites dans l’environnement d’un moteur d’avion. Dans le cadre d’une approche multi-physique (couplage physico-chimico-thermo- mécanique) et multi-échelle, on peut ainsi caractériser expérimentalement le comportement sous flamme kérosène de matériaux composites. L’ambition de cette thèse est l’investigation des mécanismes de décomposition thermique et endommagements associés des éléments constitutifs jusqu’à la structure en vol sur une gamme de température allant de la température ambiante à plus de 1150°C (conditions de température normalisées pour une flamme de bruleur kérosène).

 

Contacts :

Benoit Vieille, et Fabrice Barbe, enseignants-chercheurs au GPM 

Benoit.Vieille@insa-rouen.fr – 0232959756

Fabrice.Barbe@insa-rouen.fr

Alexis Coppalle, enseignant-chercheur au CORIA

Alexis.Coppalle@insa-rouen.fr

In-situ and operando Transmission Electron Microscopy of catalysis reactions for methane conversion

In the actual context of the significant demographic evolution as we are assisting at the diminution of the natural resources, the demand of solutions for ultra-clean alternative fuels and chemicals is rapidly growing. The methane conversion offers an attractive solution due to the availability of cheap natural gas with relatively low carbon footprint, as a cleaner alternative of the fossil oil and coal largely used today. Situated at the core of energy related chemical reactions and processes, the catalysis relies on complex methodologies and applications. Since in heterogeneous catalysis, complex materials with properties defined at the nanoscale are commonly employed, the complete understanding of the catalysts behavior in the course of reaction by Transmission Electron Microscopy (TEM) combining the in-situ and operando methodologies is essential to bridge the materials processing with their performances.

 

Expected starting date: as soon as possible, in any case before end of 2020

Candidates should send a CV, a motivation letter and recommendations (if any) to:

  • Xavier Sauvage, xavier.sauvage@univ-rouen.fr
  • Simona Moldovan, simona.moldovan@univ-rouen.fr

Compréhension des mécanismes de déformation et d’endommagement de fils composites Cu-Al architecturés

Dans le domaine des matériaux métalliques, l’optimisation conjointe de différentes propriétés telles que la résistance mécanique, la conductivité, la résistance à la corrosion, la masse volumique ou le coût n’est que rarement possible dans le cas de microstructures homogènes et monophasées. La communauté scientifique s’est donc assez rapidement penchée sur l’élaboration de matériaux dit architecturés, soit en proposant des matériaux multiphasés, principalement dans le cas des aciers (Dual-Phase, Duplex...), ou en cherchant à obtenir une microstructure hétérogène (taille de grains, texture cristallographique/morphologique).

 

Au sein de la littérature, de nombreux auteurs se sont intéressés au comportement mécanique de matériaux composites métalliques tricouches CuAl obtenus par laminage. Ces différents travaux ont mis en évidence une forte modification du comportement mécanique (écrouissage et ductilité) en fonction des différents traitements thermiques et ce du fait du rôle endommageant de l’interface , elle-même dépendante de l’épaisseur d’intermétalliques.

A partir de ces résultats et des différences de microstructures entre les échantillons laminés et les échantillons co-étirés dans le cadre de ce projet, plusieurs questions peuvent être soulevées:
- quelle est la contribution des différentes phases en présence du point de vue de la distribution des contraintes ?

- quel est le rôle de la fraction volumique et de la distribution spatiale de ces phases sur le comportement mécanique ?
- quel va être le rôle de l’interface entre le cuivre et l’aluminium sur la réponse mécanique globale (transfert de la charge mécanique entre phases, influence sur les mécanismes d’écrouissage et d’endommagement) ?

- comment quantifier expérimentalement la contrainte de cisaillement à l’interface ?
- la formation d’intermétalliques lors de traitements thermiques va-t-elle modifier les caractéristiques de l’écrouissage des phases ? les mécanismes d’endommagement ?
- comment quantifier les contraintes résiduelles engendrées lors de l’élaboration, notamment lors de la réalisation d’un traitement thermique post-élaboration ?

Cette thèse ambitionne ainsi de répondre à ces différentes questions.

 

Contact : Clément Keller - clement.keller@insa-rouen.fr

 Benoit Vieille - benoit.vielle@insa-rouen.fr

Improvement and Development of a New Process for Magnet Recycling

A 36-months doctoral position, project RAP, funded by the ANR

 

Successful candidate will have a master degree in material science (Chemistry of materials, Physics of Materials), a good background in chemistry of materials (synthesis, crystallography, magnetic properties, characterization techniques...), an ability to communicate effectively, a willingness to work in a team. Previous experience in one or more of the specific techniques or related fields described in the following would be an asset: synthesis, nanostructured materials, magnets, electron microscopy, Mossbauer spectroscopy, XRD, recycling techniques

 

Contact :

Associate Professor Virginie NACHBAUR (virginie.nachbaur@univ-rouen.fr)

Closing date for application: 05/07/2018