Laboratoire Léon Brillouin

UMR12 CEA-CNRS, Bât. 563 CEA Saclay

91191 Gif sur Yvette Cedex, France

+33-169085241 llb-sec@cea.fr

BD diffusons les neutrons

Les sujets de thèses

5 sujets IRAMIS//LLB

Dernière mise à jour : 22-05-2019


• Interactions rayonnement-matière

• Matière molle et fluides complexes

• Physique du solide, surfaces et interfaces

 

Fragmentation quantique dans les systèmes magnétiques frustrés

SL-DRF-19-0538

Domaine de recherche : Interactions rayonnement-matière
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire Léon Brillouin (LLB)

Groupe 3 Axes (G3A)

Saclay

Contact :

SYLVAIN PETIT

ELSA LHOTEL

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

SYLVAIN PETIT

CEA - DRF/IRAMIS

01 69 08 60 39

Directeur de thèse :

ELSA LHOTEL

CNRS - Insitut Néel

04 76 88 12 63

Page perso : http://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=spetit

Labo : http://www-llb.cea.fr/

Le magnétisme frustré constitue une des voies de recherche moderne susceptibles de mener à la découverte de nouveaux états de la matière. Les “glaces de spins”, et plus généralement les “phases de Coulomb”, en forment un exemple célèbre. A la différence des structures magnétiques ordonnées classiques, ces états magnétiques restent désordonnés jusqu'aux plus basses températures mais présentent des corrélations spin-spin spécifiques. Dans ce contexte, un nouveau concept a été proposé [PRX 4, 011007 (2014)], baptisé “fragmentation magnétique”. Il s’agit d’un état original où le moment magnétique se scinde en deux fragments: l’un forme une phase antiferromagnétique de moment ordonné réduit; l’autre reste fluctuant et forme une phase de Coulomb.



En combinant mesures macroscopiques d'aimantation et expériences de diffusion élastique et inélastique de neutrons, nous avons pu montrer que le composé pyrochlore Nd2Zr2O7 pourrait être une réalisation de cette théorie [1,2], même si des indices expérimentaux montrent que des phénomènes quantiques encore incompris sont à l’œuvre.



Le but de ce travail de thèse est de comprendre l'origine de la fragmentation dans ce système. On cherchera notamment à déterminer son domaine de stabilité, en étudiant des composés substitués. En effet, en remplaçant une partie du Zirconium (Zr) par du Titane (Ti), ou du Néodyme (Nd) par du Lanthane (La), les interactions magnétiques vont être modifiées. En variant les taux de substitution, nous pourrons explorer le diagramme de phase et sonder l'existence d'un point critique quantique prévu théoriquement. La complémentarité entre mesures macroscopiques et mesures de diffusion des neutrons est une des clefs pour résoudre le Hamiltonien quantique du système et, au-delà, comprendre les mécanismes microscopiques de la fragmentation ainsi que la nature des excitations qui en émergent.



Le travail de thèse se partagera entre l’Institut Néel (Grenoble) et le LLB (Saclay). Il s’agit à la fois de mesurer l'aimantation et la chaleur spécifique des échantillons jusqu'à très basse température (100 mK) (Institut Néel) et de déterminer finement les structures magnétiques ainsi que le spectre des excitations magnétiques par l’ensemble des techniques de diffusion des neutrons. Ces dernières études se feront au LLB (Saclay) et à l’ILL (Grenoble). Une partie significative de l’analyse des données sera basée sur des outils de simulation numérique, existants pour la plupart, mais aussi à développer le cas échéant.

Batterie au Li-métal à électrolyte hybride avec conduction par ions lithium uniquement

SL-DRF-19-0554

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire Léon Brillouin (LLB)

Groupe de Diffusion Neutron Petits Angles

Saclay

Contact :

Jacques JESTIN

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Jacques JESTIN

CNRS - LLB01/Laboratoire de Diffusion Neutronique

0661476825

Directeur de thèse :

Jacques JESTIN

CNRS - LLB01/Laboratoire de Diffusion Neutronique

0661476825

Aujourd'hui et dans les années à venir, le développement des batteries à haute performance, sûre et à faible coût est la clé pour l'expansion des industries et des marchés importants tels que les véhicules électriques et les énergies renouvelables. La technologie de batterie au lithium-métal polymère (LMP) est sans doute la plus attrayante. Le lithium métal est l’anode de choix avec sa capacité spécifique 10 fois plus élevée que celle utilisée dans les batteries Li-ion, pour produire des batteries de très haute densité d’énergie. De plus, le lithium métal est le seul choix pour profiter des capacités élevées des technologies lithium-air et lithium-soufre. Cependant, les électrolytes polymères secs ne fonctionnent qu’à 80°C, une température où les propriétés mécaniques sont insuffisantes et leur fenêtre de stabilité électrochimique est limitée. Comme pour les électrolytes liquides, la fraction de charge portée par Li+ est faible (t+< 0.2), ce qui limite les performances électriques.



Dans ce contexte, le principal objectif de la thèse est de développer une batterie LMP capable de fonctionner à température ambiante sur un grand nombre de cycles (> 1000). Pour atteindre cet objectif, nous proposons une approche multidisciplinaire réunissant différentes compétences dans les domaines de chimie organique et polymère, de matériaux hybrides, de transport des ions, d’électrochimie et de stockage électrochimique pour concevoir un électrolyte solide multifonctionnel « révolutionnaire ». Cet électrolyte réunit les différentes propriétés antagonistes telles que une conductivité ionique élevée à température ambiante, des propriétés mécaniques élevées, une grande stabilité électrochimique des interfaces.



Le projet de thèse est donc consacré à :

•La fonctionnalisation de la surface des nano-charges, par exemple oligomères de silsesquioxanes polyédriques (POSS), silice colloïdale ou nano-fibres de cellulose, avec les courtes chaines de polyoxyéthylènes (POE) amorphe et/ou avec le sel de lithium à base de l’anion TFSI .

•La formulation des électrolytes hybrides auto-dopés par le mélange de nano-charges fonctionnalisées avec une matrice conducteur d’ion Li+ (par exemple les POE réticulés).

•La caractérisation approfondie des électrolytes nano-hybrides préparés qui comprend la dispersion des nano-charges dans la matrice de polymère, la dynamique (macro)moléculaire et les propriétés macroscopiques (transport et mécanique). Ces caractérisations permettent d’établir la relation entre la structure/composition et les propriétés macroscopiques.

•La construction d’un prototype de batterie LMP pour quantifier les nouveaux électrolytes nano-hybrides.



Les électrolytes hybrides auto-dopés proposés auront (i) une valeur de tLi+ proche de 1 parce que l’anion est greffé de manière covalente aux nano-charges. Li+ est le seul ion mobile dans le milieu ; (ii) une conductivité ionique élevée (par exemple =10-4 S/cm à température ambiante) grâce aux mobilités élevées des chaines courtes de POE greffées à la surface de nano-charges ainsi qu’à l’emploi d’un sel lithium hautement dissocié ; (iii) des propriétés mécaniques suffisantes pour contrer la croissance dendritique grâce au rôle de renfort des nano-charges et au réseau réticulé de la matrice conducteur d’ion ; (iv) une stabilité électrochimique élevée jusqu’à 5V vs Li+/Li (potentiel nécessaire pour utiliser les matériaux actifs de haut potentiel dans l’assemblage de la batterie) du fait du greffage de l’anion ; (v) une stabilité thermique améliorée pour la sécurité grâce à la présence de nano-charges, en particulier les POSS.



Ce projet sera mené en collaboration étroite entre le Laboratoire Léon Brillouin (DRF/IRAMIS) au CEA Saclay, le Laboratoire d’Electrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (LEPMI/Grenoble INP) à Grenoble et l’Institut de Chimie Radicalaire (Université Aix-Marseille) de Marseille.

Batteries "lithium métal polymère" : Vers un fonctionnement à température ambiante

SL-DRF-19-0563

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire Léon Brillouin (LLB)

Groupe Biologie et Systèmes Désordonnés

Saclay

Contact :

Jean-Marc ZANOTTI

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Jean-Marc ZANOTTI

CEA - DRF/IRAMIS/LLB/GBSD

+33(0)476207582

Directeur de thèse :

Jean-Marc ZANOTTI

CEA - DRF/IRAMIS/LLB/GBSD

+33(0)476207582

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/jean-marc.zanotti/

Labo : http://www-llb.cea.fr/

Voir aussi : http://liten.cea.fr/cea-tech/liten/Pages/Accueil.aspx

Ce travail de doctorat propose de mettre en œuvre une méthode originale pour permettre l’utilisation de batteries "lithium métal polymère" à température ambiante.

Cet objectif sera atteint par la mise en conjonction de trois effets :

i) le confinement nanométrique de l’électrolyte polymère (Poly(Oxyde d’Éthylène) (PEO) + sel de lithium) au sein de membranes à base de tapis de NanoTubes de Carbone Alignés Verticalement (VA-NTC).

ii) l’utilisation de POE de faible masse molaire.

iii) la conduction ionique unidimensionnelle.



Les propriétés de transport des ions lithium et la conduction ionique seront contrôlées par deux distances caractéristiques : le diamètre des pores (1-4 nm) et la longueur totale des VA-NTC (de 10 à 500 µm). La compréhension des propriétés de transport sur des distances différant de plusieurs ordres de grandeur appelle naturellement à une approche multi-échelles.

Pour son volet fondamental, l'objectif premier de cette étude est de développer une approche expérimentale multi-échelles pour appréhender de façon globale la mobilité exaltée en confinement 1D.

“Smart membranes” pour batteries Lithium-Métal-Polymère.

SL-DRF-19-0850

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire Léon Brillouin (LLB)

Groupe Biologie et Systèmes Désordonnés

Saclay

Contact :

Quentin BERROD

Jean-Marc ZANOTTI

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Quentin BERROD

CNRS - DRF/INAC/SyMMES/STEP

(+33)(0)438786425

Directeur de thèse :

Jean-Marc ZANOTTI

CEA - DRF/IRAMIS/LLB/GBSD

+33(0)476207582

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/jean-marc.zanotti/

Labo : http://www-llb.cea.fr/

Voir aussi : https://icr-amu.cnrs.fr/

Le sujet propose une voie originale pour permettre l’utilisation des batteries « lithium métal polymère » à température ambiante. Cet objectif sera atteint par la mise en conjonction de trois effets : i) le confinement nanométrique de l’électrolyte au sein de membranes à base de tapis de NanoTubes de Carbone (NTC) alignés verticalement, ii) l’utilisation de POE de faible masse molaire et iii) la conduction ionique unidimensionnelle.



Le sujet passe par la synthèse d’une SMART membrane : le greffage de chaînes de POE de longueur nanométrique sur l’une des parois du tapis de NTC. Cet aspect est essentiel pour s’affranchir du caractère conducteur électronique des NTC. Par ailleurs, la conformation des chaînes greffées à l’entrée des NTC (chaînes étendues ou en pelote) dépendra fortement de l’environnement physico-chimique (pH, solvant, température …). Ces smart membranes, présentent donc aussi un intérêt en tant que "nano-valves" stimulables ou membranes de filtration.

Propriétés magnétoélectriques linéaires et multiferroiques dans les composés antiferromagnétiques A4A'2O9

SL-DRF-19-0539

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire Léon Brillouin (LLB)

Groupe Diffraction Poudres (GDP)

Saclay

Contact :

Françoise Damay

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Françoise Damay

CEA - DRF/IRAMIS/LLB/GDP

0169084954

Directeur de thèse :

Françoise Damay

CEA - DRF/IRAMIS/LLB/GDP

0169084954

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/francoise.damay/

Labo : http://www-llb.cea.fr/

Le contexte général du sujet de thèse proposé est la recherche de matériaux multiferroïques, c'est à dire présentant un couplage entre ordre magnétique et polarisation électrique, qui permet de manipuler l'aimantation avec un champ électrique ou la polarisation électrique avec un champ magnétique.



Le travail de thèse a pour but d'étudier et comprendre les propriétés magnétoélectriques et multiferroïques d'une famille de composés prometteurs, à savoir les niobiates et tantalates de métaux de transition A4A'2O9. Dans des travaux de 2018, il a été mis en évidence par exemple que Fe4Ta2O9 est multiferroïque en dessous de 30K, mais magnétoélectrique linéaire entre 30K et 85K, ce qui suggère différents types de mécanismes de couplage à élucider. Les techniques expérimentales utilisées seront en particulier aimantation, constante diélectrique et polarisation électrique, associées à de la diffraction de RX et de neutrons en fonction de la température, afin de préciser les relations entre structures cristallines et magnétiques, et propriétés physiques.

 

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