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Modélisation du comportement mécanique des matériaux polycristallins

Comprendre les processus de déformation qui conduisent à la rupture des matériaux structurels polycristallins est l’un des principaux défis de la science des matériaux. Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des dernières décennies, grâce aux développements de nouvelles techniques de caractérisation expérimentales et à des méthodes de simulation numerique avancés.

Cependant, la localisation de la plasticité dans des bandes de glissement et la propagation de la plasticité à travers un agrégat polycristallin ne sont pas entièrement comprises.

L’une des difficultés de la modélisation du comportement mécanique des matériaux polycristallins est qu’il s’agit intrinsèquement d’un phénomène multi-échelle. Des mécanismes de déformation inélastiques se produisent à l’échelle des dislocations (le défaut cristallin vecteur de la déformation plastique) qui donnent lieu à la formation de microstructures intra-granulaires qui, à leur tour, interagissent avec les joints des grains. Ce projet de stage vise à étudier les premiers stades de déformation plastique dans un matériaux (Cu, Ni) polycristallin à l’aide de la dynamique de dislocations (DD).  En particulier le code de DD microMegas sera utilisé couplé avec un solveur élastique, pour reproduire des conditions aux limites favorisant l’émergence d’une localisation de la déformation plastique et ainsi modéliser l’interaction entre une bande de glissement et les joints de grain. Ce mécanisme sera étudié d’abord dans des agrégat polycristallin modèle. Si possible ces calculs pourront être étendu à un jumeau numérique d’un polycristal réel.   

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique du solide, Science des matèriaux. Bonne connaissance de la physique de la matière condensée  ainsi qu’une propension pour les simulations numériques (utilisation de codes, programmation pour le post-traitement des données).

Contacts: Benoit Devincre

Elaboration et caractérisation de nanoparticules métalliques ; analyse des effets de synthèse dans la catalyse de croissance de nanotubes de carbone par CVD

Le sujet de stage proposé s’inscrit dans une volonté de développer de nouveaux catalyseurs (nanoparticules métalliques ou bimétalliques) pour la croissance de nanotubes de carbone, ces nouveaux catalyseurs permettant le contrôle des propriétés électroniques des nanotubes de carbone dès l’étape de synthèse.

Les nanoparticules servant de catalyseurs seront synthétisées, en collaboration avec l’ICMMO (Vincent Huc) en combinant chimie de surface et chimie de coordination. Nous nous proposons de comparer un même jeu de nanoparticules métalliques ou bimétalliques élaboré suivant des voies de synthèses très différentes puis nous comparerons l’action catalytique de ces nanoparticules dans la croissance des nanotubes :

–          Une première partie du travail expérimental sera de synthétiser les nanoparticules par voie colloïdale (optimisation de la synthèse en réduisant d’abord le Ru3+ en Ru2+ puis en l’alliant au Ni) et par Analogues de Bleu de Prusse à l’Institut de Chimie Moléculaire et Matériaux d’Orsay (ICMMO). Ces dernières seront calcinées sous argon afin d’obtenir des espèces carburées. Nous en ferons l’étude structurale (distribution en taille, composition, structure cristalline) au LEM. Nous utiliserons pour cette dernière une panoplie puissante de techniques d’investigation (microscopie électronique en transmission en Haute Résolution, diffraction, spectroscopies de perte d’énergie et d’analyse X) présentes au laboratoire (LEM).

–          Une deuxième partie du travail expérimental sera de faire croître des nanotubes de carbone par CVD en utilisant les nanoparticules élaborées comme catalyseur (par voie colloïdale, par voie « Bleu de Prusse » et Bleu de Prusse « carbures »). Il conviendra alors de caractériser ces nanotubes (chiralité, longueur, type d’accroche à la nanoparticule) par TEM (imagerie et diffraction) et spectroscopie Raman. Ces trois jeux de catalyseurs devront être comparés pour observer l’influence de la voie de synthèse et l’influence de la phase carburée dans la croissance de nanotubes de carbone.

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Bonne formation en chimie de la matière condensée avec un volet important en nanoscience et des cours sur l’élaboration et la caractérisation. Goût affirmé pour l’expérimentation et pour la technique.

Contacts:  Armelle Girard, Annick.Loiseau

Chimie et morphologie de nanoalliages pour la catalyse de croissance de nanotubes de carbone par CVD

Le sujet de stage proposé s’inscrit dans une volonté de développer et de comprendre la synthèse de nouveaux catalyseurs (nanoparticules métalliques ou bimétalliques) pour la croissance de nanotubes de carbone, ces nouveaux catalyseurs permettant le contrôle des propriétés électroniques des nanotubes de carbone dès l’étape de synthèse de ces derniers.

Depuis quelques temps, un certain nombre de catalyseurs bimétalliques à base de métaux de transition ont été synthétisés produisant, en règle générale, des nanoparticules de type cœur/coquille ou de type janus. Néanmoins, nos études précédentes ont montré qu’il était possible de synthétiser des particules bimétalliques sous forme de solution solide en combinant chimie de surface et chimie de coordination dans des conditions de température particulières. Les alliages ont la possibilité de se former à l’échelle nanométrique quand on arrive à mettre en place un processus de réduction rapide pour « piéger » les atomes des deux métaux dans un alliage en évitant ainsi une nucléation séparée.

Cependant, étudier le comportement thermodynamique de ces catalyseurs bimétalliques demande souvent la mise en œuvre de techniques expérimentales compliquées qui gagnent souvent à être couplées avec des approches théoriques, même si ces dernières sont encore loin de pouvoir atteindre un tel niveau de complexité tout en restant prédictives. En collaboration avec le groupe de simulations numériques à l’ICMMO (Jérôme Creuze et Fabienne Berthier), nous entamons donc une étude théorique afin de mieux caractériser le comportement de ces nanoparticules, à l’équilibre et sous ultra-vide tout d’abord. En effet, il est nécessaire de connaître la thermodynamique des nanoalliages en tant que systèmes isolés avant d’étudier l’influence de perturbations extérieures. Nous étudierons également les cinétiques de retour à l’équilibre afin de déterminer la stabilité et la durée de vie de configurations métastables qui auront été identifiées lors de la première étape de l’étude.

Le stage permettra ainsi d’identifier et de quantifier les grandeurs thermodynamiques clés impliquées dans la répartition des constituants au sein des nanoparticules bimétalliques et de comprendre comment les variables d’état influent sur la configuration d’équilibre à partir de ces grandeurs. Le candidat pourra confronter ses résultats avec les expériences lorsque ce sera possible.

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Formation en physico-chimie de la matière condensée ayant comporté un volet en nanosciences. Un goût affirmé pour le calcul numérique et la thermodynamique. Une appétence pour l’expérimentation et pour la technique

Contacts:  Armelle Girard, Annick.Loiseau

Développement d’un code de Monte Carlo dynamique pour les calculs de diffusion atomique

Les processus de diffusion dans les solides sont prépondérants pour la cinétique de nombreux changements microstructuraux se produisant pendant la préparation, le traitement et le traitement thermique des matériaux. Des exemples typiques sont la nucléation de nouvelles phases, les transformations de phase par diffusion, la précipitation d’une seconde phase, la recristallisation, le fluage à haute température et l’oxydation à haute température. Pour atteindre une compréhension profonde de la diffusion dans les solides, il est nécessaire d’avoir des informations sur la position des atomes et sur leur déplacement. Les mécanismes atomiques de diffusion dans les solides cristallins sont étroitement liés aux défauts. Les défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels sont les défauts les plus simples et facilitent souvent la diffusion dans les cristaux. Les méthodes ab initio telles que la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) peuvent fournir des informations fondamentales, telles que les positions stables des atomes dans un réseau cristallin et leurs vitesses de saut entre deux sites voisins. Cependant, il n’est pas anodin d’obtenir des coefficients de diffusion à partir de ces propriétés fondamentales car, dans les cristaux solides complexes, il existe généralement divers défauts ponctuels (lacunes et positions interstitielles) et, par conséquent, plusieurs chemins de diffusion sont possibles pour l’atome diffusant. Les solutions analytiques des problèmes de diffusion multi-états sont généralement complexes. Une bonne alternative est de recourir à la méthode Monte Carlo cinétique (KMC: Kinetic Mote-Carlo), une méthode de Monte Carlo particulière utilisée pour les processus avec des vitesses connues telles que la migration des atomes. Il consiste à cartographier N événements possibles pouvant se produire à partir d’un état donné. Chaque événement est défini par la fréquence de saut, le déplacement et la fonction cumulative de la fréquence de saut: toutes ces paramètres nécessaire à la simulation KMC peuvent être obtenues à partir des calculs DFT.

L’objectif principal de ce projet est de développer un code de Monte Carlo cinétique pour étudier la diffusion des atomes dans les cristaux. Le code recevra en tant que données d’entrée les résultats des calculs DFT, qui seront effectués avec le code VASP. Les premières applications porteront sur la diffusion d’atomes interstitiels (B, O, N, C) dans des alliages Ti-Al. Le code sera validé par comparaison avec la solution analytique des réseaux cristallins les plus simples (comme le composé TiAl tétragonal), puis appliqué à l’étude de la diffusion dans des géométries plus complexes (comme le composé Ti3Al hexagonal).

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique de la matière condensée, crystallographie, development de code

Contacts: Gilles Hug

Propriétés électroniques de couches fines nanostructurées

Le contrôle à l’échelle nanométrique de la composition et de la morphologie des matériaux a permis l’émergence de nouvelles propriétés structurales, électroniques et chimiques, qui sont à la base de nombreux progrès technologiques récents. Parmi les nanostructures, les matériaux 2D forment une classe constituée par des matériaux cristallisant en couches d’épaisseur atomique. Depuis l’envol du graphène dans les années 2000, la famille des matériaux 2D s’est enrichie de nouveaux éléments comme le nitrure de bore hexagonal (hBN) ou le phosphore noir (BP).

En vertu de leur infime épaisseur, les matériaux 2D présentent souvent des propriétés électroniques très différentes de celles de leur homologues massifs. En outre, celles-ci sont fortement influencées par l’interaction avec l’environnement proche, par exemple, par des modifications du support du matériau 2D ou de son épaisseur. Les hétérostructures de van der Waals se basent sur ce principe. Elles sont formées en empilant des couches de différents matériaux 2D, permettant ainsi de combiner plusieurs propriétés dans un même système, et de les moduler de façon contrôlée afin d’atteindre des objectifs technologiques ou de recherche fondamentale.

Dans ce contexte, la famille d’hétérostructures considérée comportera l’empilement de feuilles de hBN et/ou de BP. Pour étudier d’un point de vue théorique ces systèmes, nous allons élaborer une approche mixte, qui combine des développements analytiques et numériques de type liaisons fortes à des simulations ab-initio. Ces dernières seront faites sur des systèmes simples de référence, afin d’établir une base quantitative pour la paramétrisation des modèles liaisons fortes. Ainsi, l’étude de grands systèmes tels que des hétérostructures réalistes deviendra possible. Plus précisément, il s’agira d’étudier l’effet de l’environnement (substrat, empilement…) sur les propriétés électroniques et optiques d’hétérostructures de van der Waals à base de hBN et BP.

Une autre originalité de ce travail consistera à coupler l’étude théorique à différentes techniques expérimentales, grâce notamment à un riche réseau de collaborations.