Domaine scientifique : Sciences des matériaux, énergie et électronique

Les propriétés optiques et électriques particulières des Quantums Dots (QDs) en font des candidats potentiels pour des applications photovoltaïques. Parmi leurs caractéristiques, on peut citer la mobilité des porteurs de charge élevée, l’ingénierie précise de la bande interdite et le dopage facile des types p et n. Par ailleurs, les dispositifs utilisant les QDs peuvent être réalisés à l’aide des techniques de fabrication  à grande surface et à faible coût.

Après avoir été confrontée à des restrictions sur l’utilisation des QDs toxiques à base de Cd et de Pb, la communauté scientifique est à la recherche d’autres types de QDs non-toxiques. A ce titre, les QDs à base de CuInS₂/ZnS, InP/ZnS, carbone et graphène sont de bons candidats pour les applications électroniques, photoniques et photovoltaïques. Cependant, le développement des dispositifs est affecté par certains inconvénients tels que la recombinaison et la diffusion des porteurs de charge ainsi que les pertes d’énergie à l’interface des couches.

Dans le présent projet de thèse, nous proposons la préparation de matériaux hybrides non toxiques à base de QDs en vue de leur utilisation pour le stockage et la production d’énergie verte. Les matériaux hybrides seront obtenus par dispersion des QDs dans des mésogènes. Grâce à leur faible constante diélectrique, les mésogènes minimisent la perte de puissance à l’interface d’une jonction P-N, ce qui peut conduire à un rendement de conversion d’énergie supérieur. De plus, le taux de recombinaison peut également être contrôlé, car les matériaux mésogènes anisotropes peuvent être orientés dans une direction préférentielle à l’aide d’un champ électrique externe de faible intensité.

Dans ce projet de thèse, il est prévu de caractériser les QDs de InP/ZnS, de carbone et de graphène ainsi que leurs composites avec différents mésogènes discotiques (Triphénylène, Hexahexylthiotriphénylène et Perylene) et calamitiques (naphtalène alkylé). Les matériaux composites seront ensuite utilisés pour des applications de stockage d’énergie et de cellules solaires.

Contact : Redouane Douali : douali@univ-littoral.fr

Domaine scientifique : Sciences pour l’ingénieur

Les préoccupations actuelles de protection de l’environnement se focalisent sur la qualité de l’air dans les industries, les villes et foyers domestiques. Cette forte tendance à vouloir contrôler la pureté de l’air conduit à la création, notamment en Europe, de réseaux d’observation et de mesures des gaz polluants et nocifs les plus abondants dans l’atmosphère tels que le monoxyde de carbone CO₂, les oxydes d’azotes NOx, les hydrocarbures ou l’ozone.

Dans ce travail, on se propose de développer des couches minces de ZnO pour des applications en capteurs ultrasensibles. La technologie aujourd’hui permet en effet la réalisation d’échantillons de matériaux de bonne qualité sous la forme de dépôts sur substrat ou de membranes. Il semble également possible de texturer à l’échelle micronique les surfaces sous test pour générer des motifs d’intérêt particulier qui transforment ces surfaces en modèles physiques à la demande pour les études en cours. Ces possibilités nouvelles ouvrent un champ expérimental intéressant au moment où la miniaturisation poussée des objets fait croître le rôle de la surface, où également la chimie de surface devient une des clés pour la sélectivité de détecteurs de sensibilité ultime. Dans ce contexte, il nous semble intéressant de reprendre une étude expérimentale du bruit BF et de réexaminer la validité des résultats et des modèles établis essentiellement pour une conduction de type « bulk ». En effet à notre connaissance, les travaux portant sur les aspects 2-D concernent plutôt des couches de type « enterrées » dans des composants électroniques. Ici, il s’agit de surfaces accessibles dont l’état physico-chimique demande à être contrôlé, leur application à un usage de détection impliquant leur exposition. Nous envisageons donc de mettre à profit les résultats d’une telle étude pour optimiser une architecture qui permet d’amplifier les variations du bruit en 1/f du capteur suite à la détection d’une modification de l’état physico-chimique de sa surface (détection de type biopuces). Nous proposerons à la validation en laboratoire avec différents gaz (oxygène, ozone, monoxyde de carbone) et selon différents taux d’humidité et de pression atmosphérique. A l’issue des 3 ans, la réalisation d’un prototype et la participation à un transfert de technologie pourraient clôturer le travail.

Contact : Gérard Leroy : gerard.leroy@eilco-ulco.fr

Domaine scientifique : Molécules et Matière Condensée

Dans le domaine des transports, les véhicules électriques offrent une solution pour réduire les consommations de carburant et donc les émissions de CO₂. Dans toutes ces configurations, le bon fonctionnement des systèmes sont liés à la disponibilité du réseau de bord et donc par conséquent de la batterie. La viabilité économique et écologique du véhicule électrique dépend en grande partie du coût et de la longévité de la batterie. Plusieurs améliorations sont possibles pour rendre les batteries moins coûteuses et plus respectueuses de l’environnement.

Dans ce travail, on se propose d’étudier des piles Lithium-ion, notées Li-ion, de petite tailles (piles bouton) dont l’assemblage de nombreuses piles bouton constitue une batterie. Les piles Li-ion possèdent de 2 électrodes avec une microstructure composite. Ses nombreux constituants sont susceptibles de réagir au passage des ions lithium et des électrons. Cela conduit à des dégradations mécaniques et chimiques. Les piles Li-ion possèdent donc un nombre maximum de cycles de charge et décharge ce qui limite leur autonomie. Les piles Li-ion actuelles ont un nombre maximal de cycles de recharge compris entre 500 et 1000 environ.

L’objectif de cette thèse est de bien comprendre la réponse électrique de la cathode de nos piles Li-ion en fonction de leurs propriétés intrinsèques et ceci à différentes températures. L’étude consistera à faire varier le matériau de cathode en vue de déterminer, à l’aide de caractérisations électriques, les processus de vieillissement de ces matériaux sous l’effet de cycles de charge et décharge des piles.

Contact : Gérard Leroy : gerard.leroy@eilco-ulco.fr

Ce projet s’inscrit dans une thématique aux enjeux majeurs pour notre société : le stockage de l’énergie électrique, largement soulignée par notamment l’alliance nationale de coordination de la recherche pour l’énergie (Ancre).

L’axe développé ici concerne le stockage électrostatique au travers de la technologie des super-condensateurs. Ils peuvent stocker un million de fois plus d’énergie électrique qu’un condensateur classique. On commence à voir apparaître les premiers bus électriques, tramways, alimentés exclusivement par des super-condensateurs. Et cette technologie pourrait demain permettre de recharger en quelques minutes nos téléphones et véhicules électriques ou bien stocker l’électricité des panneaux photovoltaïques et éoliennes.

Le but de ce travail est de contribuer à l’élaboration de nouveaux oxydes sans plomb pour la réalisation de condensateurs à fort coefficient de qualité (Q = 1/tgd) et forte capacité de stockage de l’énergie électrique. Actuellement, les condensateurs à base du matériau PbZrTiO3 (PZT) permettent d’embarquer de hautes densités d’énergie, mais cet oxyde contient du plomb. Hors, la directive européenne RoHS en application depuis le 1er/07/2006 bannit le plomb qui est une substance dangereuse devant être remplacée par d’autres matériaux inoffensifs pour la santé et l’environnement.

Parmi les oxydes sans plomb, SrTiO3 présente de faibles pertes diélectriques. Durant la thèse H. Aït Laasri effectuée à l’UDSMM, les travaux réalisés sur le matériau SrTiO3 ont montré qu’un dopage avec un taux de 40% de calcium a permis d’obtenir une permittivité diélectrique stable et un coefficient de qualité élevé sur une large gamme de température et de fréquence : jusque 250°C et 1 GHz, faisant de ce matériau un réel candidat pour le développement de condensateurs monolithiques ou multicouches sans plomb pour des applications respectueuses de l’environnement.

Ce travail de thèse consistera à élaborer le matériau SrTiO3 avec des taux de dopage en Ca allant de 30 à 60 % afin de rester autour de l’état anti-ferroélectrique, pour maximiser la densité de puissance. L’oxyde SrCaTiO3 sera étudié sous forme de céramiques, couches épaisses et couches minces via différents procédés de synthèse. Une attention particulière sera donnée à la fabrication de multicouches associant des compositions différentes. Les paramètres de synthèse seront optimisés à la recherche des meilleures propriétés électriques.

Avec ce travail de thèse, nous visons à étudier et développer des démonstrateurs de condensateurs « écologiques » à fort coefficient de qualité et densité d’énergie élevée qui pourraient être commercialisés.

Contact : Didier Fasquelle : didier.fasquelle@univ-littoral.fr

Le sujet de thèse proposé concerne la caractérisation de matériaux fonctionnels organiques nouvellement synthétisés. Ces matériaux sont des monomères cristaux liquides fonctionnalisés dotés de propriétés semi-conductrices, potentiellement utilisables dans des dispositifs d’électroniques organiques (OLED, OFET, cellules photovoltaïques). Ces matériaux sont synthétisés à partir à la fois de molécules poly-aromatiques (Anthracène) qui apportent des propriétés électroniques intéressantes et une bonne stabilité thermique, et des groupements mésogènes qui permettent le contrôle de l’organisation moléculaire à l’échelle mésoscopique. La finalité est d’utiliser ces composés pour la réalisation de films polymères structurés et à propriétés électroniques (transport de charge) adaptés (facilité de mise en oeuvre, propriétés physico-chimiques et électroniques adaptables) pour leur utilisation en tant que couches actives dans les dispositifs d’électroniques organiques. Une étude comparative entre les différentes phases cristallines liquides sera réalisée ; elle permettra d’orienter le choix de la phase à utiliser pour réaliser un prototype de transistor à effet de champ.

Contact : Abdelylah Daoudi : daoudi@univ-littoral.fr

Domaine scientifique : Physique

Le sujet concerne l’élaboration de matériaux électrocaloriques performants sous forme d’empilement de couches d’oxydes pérovskites exploitables pour la réfrigération électrocalorique.  Celle-ci exploite l’effet électrocalorique dans les matériaux polaires, qui correspond à la variation de température réversible du matériau lorsqu’il est soumis à l’application ou l’annulation d’un champ électrique.

Cet effet peut être exploité en utilisant des dispositifs adaptés qui sont l’objet aujourd’hui d’une intense activité de recherche, à l’instar d’autres techniques de « réfrigération tout solide » visant à remplacer les techniques de refroidissement conventionnelle utilisées aujourd’hui, mais qui présentent des contraintes d’exploitation liées notamment à l’utilisation de fluides frigorigènes nocifs pour l’environnement.

Ce travail de thèse permettra de proposer des matériaux électrocaloriques originaux et performants, présentant un effet électrocalorique suffisamment élevé sous des champs électriques faibles et une géométrie compatible avec leur exploitation dans un dispositif de réfrigération électrocalorique.

Contact : Stéphane Longuemart : longuema@univ-littoral.fr