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Propositions de Thèses

• Groupe Chimie du Solide
  • Clusters moléculaires de cuivre luminescents
  • Extraction de lumière de couches minces luminescentes par structuration de surface
  • Elaboration de couches minces pour OLEDs
  • Migration de matière photo-induite
  • Réalisation d'électrodes pour des capteurs ultra sensibles dans le domaine pétrolier
• Groupe Irrégularité
  • L'échange thermique dans l'arbre aérien pulmonaire
• Groupe Electrons Photons Surfaces
  • Migration de matière photo-induite
  • Diffusion anormale de spin dans les semi-conducteurs
• Groupe Electrochimie et Couches Minces
  • Manipulations des propriétés magnétiques de couches ultra-minces par une tension électrique
  • Couches moléculaires sur silicium pour vitrages hydrophobes
  • Réalisation d'électrodes pour des capteurs ultra sensibles dans le domaine pétrolier
  • Biocapteurs optiques à haute sensibilité : Etude d'interactions carbohydrate/protéine
  • Etude des premiers stades de la formation de monocouches atomiques d'alliages par microscopie à effet tunnel

Projet Scientifique:

Notre groupe s'intéresse à la synthèse par chimie douce de matériaux optiquement actifs. Ainsi, des molécules organiques ou des nanoparticules inorganiques luminescentes ont été étudiées et leur incorporation dans des matrices de silice sol-gel a permis d'obtenir des matériaux transparents et luminescents, intéressants pour des applications dans les domaines de l'éclairage et des dispositifs d'affichage.

Dans ce contexte, nous proposons d'étudier une autre famille de systèmes luminescents que sont les clusters moléculaires de cuivre de formule [Cu4I4L4] (L = ligand organique). Ces clusters formés de quelques atomes métalliques coordinés par des ligands phosphines sont particulièrement intéressants en raison de leur émission intense dans le visible qui est de plus sensible au milieu environnant (température, rigidité...). En particulier, nous avons pu mettre en évidence pour certains de ces clusters une variation importante de la longueur d'onde d'émission par application d'une faible pression (méchanochromisme) ou par modification de la température (thermochromisme). L'objectif du stage est de comprendre l'origine de ces propriétés à partir de caractérisations optiques et structurales, et de calculs de DFT. Nous nous intéresserons également à la synthèse d'autres composés de ce type en faisant varier la nature du ligand organique. Parallèlement, la synthèse de matériaux optiquement actifs incorporant ces clusters sera abordée et en particulier l'effet de la nanostructuration sur les propriétés d'émission sera étudié.

Techniques utilisées:

- Synthèse en solution
- Caractérisations : diffraction des RX, absorption UV-vis, luminescence, infrarouge, RMN,...

Qualitités du candidat requises:

Nous recherchons un candidat dynamique et motivé. Il devra être intéressé par l'aspect synthèse en plus de la caractérisation.
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse académique

Projet Scientifique:

En général, seule une petite partie de la lumière émise dans une couche mince luminescente sort effectivement de la couche, à cause des réflexions internes aux interfaces de la couche, induites par les différences d'indice de réfraction. Augmenter la fraction de lumière émise est un réel enjeu car il permettrait d'obtenir des dispositifs luminescents (tels que des LEDs) plus performants. Afin d'extraire plus de lumière, l'une des voies que nous avons choisies est d'introduire, sur la couche, un cristal photonique qui va diffracter la lumière en dehors de cette couche. Le but de ce stage est d'élaborer des couches luminescentes par voie sol-gel, d'imprimer le cristal photonique en surface et d'étudier les effets de cette structuration sur l'efficacité d'extraction. On s'attachera en particulier à quantifier l'effet du cristal photonique sur le rendement d'extraction.

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Figure 1 : a) structure d'une couche mince luminescente. b) Image de microscopie électronique à balayage d'un cristal photonique fabriqué par nano-imprint. c) Luminescence angulaire de la couche mettant en évidence l'effet du cristal photonique.

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Techniques utilisées:

Chimie sol-gel, MEB, ellipsométrie, optique (absorption et luminescence angulaire)

Qualitités du candidat requises:

Intérêt pour l'Optique des couches minces
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse académique

Projet Scientifique:

Les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) représentent une technologie promise à un avenir prospère dans le domaine de l'éclairage. Ces systèmes convertissent le courant électrique en lumière avec une grande efficacité et pourront à terme être fabriqués à faible coût. Actuellement, seuls 20% de la lumière produite est extraite du dispositif et ce à cause de variations d'indice de réfraction entre les différents matériaux composant l'OLED. Saint Gobain développe des substrats pour OLEDs capables d'améliorer de manière significative la quantité de lumière émise par la diode. Une solution envisagée est d'élaborer par voie liquide des couches offrant les performances optiques nécessaires à l'extraction de la lumière. Ce stage s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire PMC et Saint Gobain Recherche (Aubervilliers). Il permettra au stagiaire de développer des connaissances expérimentales dans divers domaines : dépôt de films minces, caractérisations physiques et optiques des dépôts.

Techniques utilisées:

chimie sol-gel, microscopie électronique, ellipsométrie, optique des couches minces

Qualitités du candidat requises:

dynamisme, enthousiasme, gôuts pour la chimie des matériaux et l'optique
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse académique ou industrielle

Projet Scientifique:

Les colorants de type azobenzène peuvent subir une réaction de photoisomérisation trans-cis lorsqu'ils sont irradiés dans leur bande d'absorption, le retour vers la forme thermodynamiquement plus stable (isomère trans) s'effectuant de façon photochimique ou thermique. Au cours de cette transformation, les azobenzènes présentent un changement structural important qui peut affecter le milieu dans lequel ils sont plongés. Le cycle trans-cis-trans peut, dans certaines conditions, conduire à des phénomènes de migration moléculaire pouvant provoquer des déformations de surface spectaculaires (supérieur à 1 micron). Dans des films sol-gel faiblement réticulés, le déplacement de matière intervient lorsqu'une figure d'interférence est projetée sur le matériau. Dans les zones éclairées, la photoisomérisation des azobenzènes provoque une migration moléculaire conduisant à l'inscription de réseaux de surface (figure ci-contre).

Ce stage pluridisciplinaire (interface Chimie et Physique) a pour objectif d'étudier la stabilité thermique de ces réseaux, la photoinscription de différents motifs et, la migration de matière à l'échelle nanométrique en utilisant le champ proche optique.

Techniques utilisées:

Synthèse de précurseurs organosilanes et de films sol-gel, absorption UV-vis, MEB, microscopie en champ proche optique (SNOM)...

Qualitités du candidat requises:

Motivé par les aspects pluridisciplinaires.
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse académique

Projet Scientifique:

L'utilisation des alliages est maintenant bien répandue dans différents domaines technologiques car ils offrent une palette de propriétés physico-chimiques plus étendue que celle des matériaux simples. La formation contrôlée d'alliages en couches ultra minces, voire en monocouche atomique ouvre des perspectives innovantes dans certains domaines (catalyse, magnétisme) car les propriétés de surface sont déterminantes et celles-ci résultent de l'ordre atomique local. Par exemple, la réactivité catalytique d'une surface dépend de la géométrie du site réactif (nombre et orientation des liaisons chimique) et de la nature chimiques des atomes voisons. Ainsi, il est très important de connaître et de contrôler la composition d'un alliage à l'échelle atomique.

Dans le cadre de ce travail de thèse, nous proposons d'étudier la croissance électrochimique des premiers plans atomiques d'alliages bi-métalliques et d'étudier leur composition et leur micro structure par microscopie à effet tunnel (STM) et des techniques de diffraction des rayons X. Notre équipe est spécialiste dans la préparation de couches ultra-minces et dans l'observation in-situ par STM en solution. Nous avons ainsi mis en évidence des phénomènes de ségrégation à l'échelle nanométrique pour les alliages NiAu alors que les alliages NiPd forment une solution solide.

Nous souhaitons poursuivre ce travail en l'étendant à d'autres alliages bi-métalliques. En particulier, nous voulons étudier l'influence de la taille respective des atomes de l'alliage et du substrat sur la micro structure de l'alliage ainsi que celle des contraintes. Nous souhaitons étudier aussi la morphologie d'une couche d'alliage pendant la dissolution sélective d'un des deux constituants. Ceci devrait nous renseigner sur la micro structure et le la diffusivité atomiques. L'interface électrochimique est particulièrement adaptée pour ce type d'étude

Techniques utilisées:

Croissance électrochimique, caractérisations par microscopie à effet tunnel, caractérisations structurales (diffraction des rayons X, EXAFS sur synchrotron).

Profil du candidat:

Sérieux et motivé par une recherche expérimentale multidisciplinaire (à l'interface entre la chimie et physique)

Financement :

Bourse de l'École Doctorale de l'X. Merci d'envoyer votre dossier (CV + relevé de notes + lettre de recommandation) à l'adresse indiquée pus haut. La date de soumission des dossiers est début juin 2011.

Projet Scientifique:

La manipulation de l'aimantation dans les nanostructures magnétiques est un sujet d'actualité dans le domaine de l'électronique de spin et du stockage des données. Parmi les différentes stratégies connues (injection de courant, d'une contrainte mécanique etc.) l'application, d'un champ électrique est la plus attrayante de par la simplicité de sa mise en oeuvre à l'échelle de la nanostructure.

Dans le cadre de ce stage, nous étudierons la manipulation de l'aimantation de couches ultra-minces par l'application d'un champ électrique. L'observation et l'étude de ces effets imposent des contraintes sur le choix des matériaux, leur mise en forme et leur protection contre la dégradation lors de la manipulation réversible et répétée de leur aimantation. Dans le cadre de ce stage, des couches de cobalt d'aimantation perpendiculaire d'épaisseur inférieure à 1 nm seront préparées par voie électrochimique sur des substrats d'or atomiquement plan. Pour accroitre la stabilité chimique de la couche celle-ci sera recouverte d'une monocouche organique adaptée (monoxyde de carbone, thiol,...).

Les propriétés magnétiques seront mesurées en temps réel pendant la croissance de la couche de Co et lors sa couverture par la couche organique, selon des mesures magnéto-optique effet Kerr (MOKE) in situ (en solution). Pour modifier le champ électrique appliqué à la couche magnétique on fera varier le potentiel de surface et on suivra les effets induits sur les propriétés magnétiques par mesures MOKE in situ.

Nous étudierons en particulier l'amplitude et la réversibilité du phénomène, sa dépendance en fonction de la nature de la couche moléculaire adsorbée et du choix de l'électrolyte. Nous nous intéresserons aussi à l'influence de réactions électrochimiques qui influencent aussi l'aimantation, comme nous l'avons observé tout récemment. Nous envisagerons et testerons aussi la possibilité d'utilisation d'électrolyte solide pour permettre de rendre compatible ce type de manipulation de l'aimantation avec les dispositifs tout solide de la microélectronique.

Techniques utilisées:

Croissance électrochimique, mesures magnétiques (mesures magnéto optiques par effet Kerr in situ, SQUID), caractérisations structurales (observation par microscopie en champ proche, diffraction des rayons X).

Qualitités du candidat requises:

Sérieux et motivé par une recherche multidisciplinaire (à l'interface entre la chimie et physique)
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse de l'École Doctorale de l'X

Projet Scientifique:

Les biocapteurs sont des outils d'analyse et de diagnostic, couramment utilisés dans la génétique et la pharmacie, qui permettent la détection à haut débit de molécules biologiques (gènes, protéines...). Leur principe est basé sur la reconnaissance spécifique entre des biomolécules « sondes » greffées à la surface et l'échantillon à analyser « cible » en solution. La détection sonde-cible se fait généralement par fluorescence. Les performances des biopuces en termes de sensibilité, de sélectivité et de reproductibilité dépendent fortement de la première couche moléculaire utilisée pour l'immobilisation des sondes.

Dans le cadre de ce stage, nous proposons d'élaborer des biopuces fluorescentes hautement sensibles en déposant une couche de silicium amorphe carboné sur un réflecteur de Bragg. Cette couche présente l'avantage de pouvoir greffer des monocouches organiques robustes par une réaction d'hydrosilylation. Ces monocouches seront constituées d'espaceurs de type polyéthylène glycol, connus pour limiter les adsorptions non spécifiques des protéines, et terminées par des fonctions acides pour accrocher de façon spécifique les sondes. Différents anticorps seront immobilisés à l'aide d'un aptamère agissant comme un récepteur de manière à orienter l'immobilisation des anticorps sondes et donc à augmenter leur sélectivité vis-à-vis des cibles. L'accrochage des sondes et la reconnaissance sonde-cible seront suivis par spectroscopie IR en mode ATR et par fluorescence (ex et insitu).

Techniques utilisées:

Dépôt de couches minces par PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) Caractérisation des monocouches par spectroscopie FTIR en mode ATR (attenuated total reflection) Dépôts des protéines par robot (spotteur piezoélectrique) Mesure de fluorescence ex et in situ

Qualitités du candidat requises:

Sérieux et motivé par les aspects multidisciplinaires (interface physique/biologie)
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse de l'École Doctorale de l'X

Projet Scientifique:

La réalisation de revêtements hydrophobes est un enjeu important pour certains vitrages de spécialité. Les revêtements doivent obéir à des exigences sévères : performances hydrophobes, transparence optique, résistance mécanique, stabilité sous irradiation lumineuse, résistance à l'hydrolyse. Des progrès importants ont été réalisés en traitant le verre par des silanes, de manière à greffer à la surface du verre des couches moléculaires hydrophobes par l'intermédiaire de ponts siloxanes Si-O-Si. Mais la diffusion d'ions alcalins à partir du verre vers la surface, en modifiant les conditions de pH à la surface, rend les revêtements trop sensibles à l'hydrolyse.

Le but du stage est d'explorer une voie totalement nouvelle consistant à déposer une couche ultramince de silicium amorphe à la surface du verre, de manière à pouvoir greffer une couche moléculaire par l'intermédiaire de liaisons Si-C. Cette liaison est réputée pour être plus résistante à l'hydrolyse que les ponts siloxanes en raison de son caractère très peu polaire. Le stage consistera à greffer sur silicium des molécules perfluorées, connues pour leur caractère hydrophobe, et à caractériser quantitativement les couches moléculaires obtenues. Il s'agit en particulier de déterminer si l'on peut greffer ces molécules sous la forme de monocouches bien contrôlées (sans résidu non souhaité), quelle concentration de molécules il est possible de greffer sur une surface de silicium en fonction de sa rugosité à l'échelle atomique, et comment cette rugosité influence les propriétés de mouillage. Les résultats seront comparés avec ceux obtenus sur des surfaces greffées avec des chaînes hydrocarbonées saturées, dont le greffage est bien maîtrisé et qui serviront de point de comparaison. Des tests de résistance aux sollicitations mécaniques et à l'hydrolyse seront aussi effectués à Saint Gobain Recherche.

Techniques utilisées:

dépôt PECVD, chimie de surface, spectroscopie infrarouge, microscopie à force atomique, angles de mouillage

Qualitités du candidat requises:

dynamisme, enthousiasme, soin, goût pour la physique et la chimie
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui (probablement sur un autre sujet)
Financement? Bourse académique ou industrielle

Projet Scientifique:

L'un des enjeux dans l'industrie pétrolière est d'élaborer des capteurs électriques hautement sensibles capables à la fois de détecter la présence de fluides (tels que les saumures, gaz, hydrocarbures) et de résister aux conditions d'utilisation (milieu alcalin, 150°C).

Actuellement, les électrodes métalliques utilisées par Schlumberger sont en inox. En fonction des applications, il est important de les passiver pour favoriser une meilleure mouillabilité aux fluides.

Dans le cadre de ce stage, nous proposons d'améliorer la sensibilité de ces capteurs en passivant l'inox par une couche de silicium amorphe carbonée déposée par PECVD. Sa surface sera fonctionnalisée par des monocouches organiques de façon covalente et contrôlée (via une réaction d'hydrosilylation). On s'intéressera également à l'effet de la texturation de ces surfaces qui devrait permettre l'amélioration des propriétés mécaniques et physico-chimiques de ces électrodes.

Ce stage sera effectué en étroite collaboration avec Schlumberger.

Techniques utilisées:

Synthèse de précurseurs hydrophiles et hydrophobes (RMN 1H et 13C) Dépôt de couches par PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) Caractérisation des couches par spectroscopie FTIR en mode ATR Mesure d'angle de contact et de résistivité (impédance)

Qualitités du candidat requises:

Sérieux et motivé par une recherche multidisciplinaire (à l'interface entre la chimie et physique)
Rémunération du stage Oui financement Schlumberger
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse industrielle

Projet Scientifique:

Le transport de spin dans les semi-conducteurs est devenu, depuis quelques années, un sujet très actif. D'une part, la façon dont une polarisation électronique se propage dans un semi-conducteur est centrale pour les futurs dispositifs spintroniques actifs. D'autre part, à basse température des phénomènes physiques originales faites que le spin et la charge se découplent malgré le faite qu'ils sont porté par la même quasi-particule : l'électron.

Au laboratoire PMC nous avons récemment mis en place une expérience originale pour étudier le transport de spin dans une gamme de température comprise entre 2 K et 400 K. Il s'agit de la microscopie de luminescence polarisée [1]. Actuellement, nous installons un champ magnétique in-situ qui permettra une mesure simultanée des coefficients de diffusion de charge et de spin à basse température par l'effet Hanle résolu en espace.

L'étudiant effectuera des mesures à basse température et sous champ magnétique, de la diffusion de spin dans les couches minces de GaAs préparés en salle blanche. Nous cherchons une preuve expérimentale de l'effet « spin drag ». Une modélisation analytique ou numérique de l'équation de diffusion pour la charge et pour le spin suivra.

Techniques utilisées:

Microscopie de luminescence polarisée, spectroscopie de luminescence polarisée, refroidissement par cycle fermé d'hélium ou d'azote liquide, pompage optique, modélisation numérique par éléments finis.

Qualitités du candidat requises:

Goût pour l'expérience et la modélisation.
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse académique

Projet Scientifique:

Le mélange gazeux contenu dans l''ensemble des voies aériennes pulmonaires est directement en contact avec l'air extérieur. Cependant, même si ce dernier peut avoir des caractéristiques très variables (et notamment une température pouvant aller typiquement de -40°C à +50°C), le mélange interne à nos poumons a une température très proche de celle du corps humain. Par ailleurs, la forme très particulière du réseau des voies aériennes (un arbre dichotomique "space- filling") laisse penser que l'échange thermique se produit de façon extrêmement rapide. La question est donc de comprendre comment et à quelle vitesse se produit l'échange thermique au sein d'un tel système.

Le stage consistera à élaborer un modèle de cet échange, puis à le mettre en oeuvre numériquement, en contact avec des médecins et des physiologistes. On pourra notamment étudier l'influence de la composition du mélange sur les caractéristiques de l'échange.

Techniques utilisées:

Modélisation numérique par éléments finis.

Qualitités du candidat requises:

Goût pour la modélisation.
Rémunération du stage Oui
Possibilité de oursuivre en thèse: Oui
Financement? Bourse académique

Projet Scientifique:

Les biocapteurs sont des outils d'analyse qui permettent la détection à haut débit de molécules biologiques (gènes, protéines, ...). Leur principe repose sur la reconnaissance spécifique entre des " sondes " immobilisées à la surface du biocapteur et l'échantillon " cible " à analyser en solution. Les développements technologiques de ces outils restent importants, notamment pour améliorer leurs performances.

Récemment, nous avons proposé une nouvelle architecture de biopuces à ADN en utilisant des couches minces de silicium amorphe carboné a-Si1-xCx:H déposées sur des substrats métalliques nanostructurés. Cette architecture a amélioré d'une part la stabilité du lien sonde/surface permettant la réutilisation des biopuces, et d'autre part, la sensibilité de la détection sonde/cible par fluorescence et plasmons de surface localisés (proche du femtomole).

L'objectif de cette thèse est de bénéficier de ces avantages pour développer un nouveau biocapteur dédié aux glycannes. Ces carbohydrates et leur association avec des protéines sont impliqués dans un grand nombre de mécanismes biologiques et pathologiques. Plus spécifiquement, on cherchera à construire une biopuce pour étudier les interactions de glycannes de type oligomannose avec leurs protéines de liaison aux glycannes (GBP). Cette thèse s'articulera autour des axes suivants : L'accrochage multi-étapes de sondes mannoses sur des surfaces modèle de silicium cristallin (111), comprenant une étape de " click chemistry " permettant de fixer les mannoses d'intérêt. La densité des molécules greffées et des sites d'accrochage sera contrôlée par spectroscopie IR et par AFM. Transfert de cette chimie sur le biocapteur a-Si1-xCx:H et suivi in-situ de l'interaction du mannose avec la GBP de type lectine par fluorescence et par des mesures plasmoniques (UV-vis). Les propriétés physico-chimiques telles que la longueur et nature des chaînes de la monocouche (caractère hydrophile/hydrophobe) seront étudiées afin de limiter les gênes stériques et l'adsorption non spécifique lors de l'interaction mannose/lectine.

Cette thèse se fera en étroite collaboration avec l'Université de Picardie et l'Institut de Recherche Interdisciplinaire.

Qualités du candidat requises :

Nous sommes à la recherche de très bons étudiants français ou étrangers qui effectuent leurs masters II en chimie, chimie des matériaux ou chimie-physique. Un parcours brillant (école d'ingénieur, magister d'université ou université étrangère reconnue, mention au master) permet d'être éligible à la bourse d'excellence de l'Ecole Polytechnique (Bourse Monge).

Collaborations :

1. Université de Picardie, Laboratoire des Glucides Dr Aloysius Siriwardena.
2. 2) Institut de Recherche Interdisciplinaire IRI -Villeneuve d'Asq Prof. Sabine Szunerits