Étude et optimisation de capteurs d’oxyde d’azote (NO2) à base de couches sensible de dioxyde d'étain (SnO2) pour des applications aux mesures de la qualité de l’air.

Doctorant : Antonio ASSAF

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Le besoin en capteurs de gaz évolue avec le développement des applications dans les domaines de l’industrie et de l’automobile. Pour répondre à cette demande, les capteurs à base d’oxyde métallique présentent des avantages uniques comme leur faible coût, une grande sensibilité et une intégration facile dans un système portable miniaturisé. Cependant, ces capteurs souffrent d'un coût énergétique élevé du fait de leurs hautes températures de fonctionnement. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'optimiser les capteurs à base de dioxyde d'étain afin d'abaisser leur température de fonctionnement. Le gaz cible dans cette étude est le dioxyde d'azote (NO2).
D’abord, nous avons optimisé la synthèse des films de SnO2 élaborés par pulvérisation réactive à radio fréquence de manière à obtenir les caractéristiques morphologiques, stœchiométriques et électriques les plus adaptées à la détection de gaz. Aussi, nous avons également optimisé le dépôt de couches de palladium à la surface des films de SnO2 par évaporation servant de catalyseurs.
Par la suite, nous avons simulé l'architecture du capteur (électrodes interdigitées + film sensible) à l'aide du logiciel SILVACO TCAD afin d’optimiser la géométrie du capteur. Des capteurs à base de SnO2 sans catalyseur ont ensuite été développés afin de sélectionner la géométrie optimale pour la détection du NO2. Le capteur retenu possède une température de fonctionnement optimale de 100°C pour la détection de NO2, avec une limite de détection de 250 ppb.
Finalement, des capteurs à base de SnO2 dopé au palladium ont été conçus. Ces capteurs montrent une bonne sensibilité au NO2 à très basse température (50°C). Ce résultat est l’aboutissement du projet dont l’objectif à terme vise la réalisation de capteurs de gaz à base oxyde métallique à faible consommation d’énergie.

Stratégie d'optimisation de la résistance à la corrosion caverneuse de la nuance à base nickel 825

Doctorant : Hugo Klinklin

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les alliages à base de nickel sont utilisés dans divers domaines d’applications comme la pétrochimie, ou le nucléaire du fait de leur résistance mécanique et leur résistance à la corrosion à haute température. L’alliage 625 est utilisé pour le plaquage des aciers utilisés pour les pipelines car il est résistant à la corrosion sous H2S et en eau de mer. La nuance 825, moins coûteuse est candidate au remplacement de la nuance 625. Cependant, elle ne résiste pas à la corrosion caverneuse. L’objectif de cette thèse est double : (i) identifier l’origine de la sensibilité à la corrosion caverneuse de la nuance à partir des mécanismes électrochimiques mis en jeu. (ii) élaborer et caractériser des modifications de la nuance 825 pour améliorer sa résistance à la corrosion caverneuse. Le comportement électrochimique de la nuance 825 a été caractérisé en plein bain et dans une cellule à couche mince confinant un faible volume d’électrolyte à la surface de l’échantillon pour reproduire les phénomènes de corrosion caverneuse. Cette cellule a été développée et instrumentée pour suivre à la fois l’évolution de la chimie de l’électrolyte  et le comportement électrochimique du matériau. L’analyse des diagrammes d’impédance a permis la quantification des paramètres relatifs au suivi de la passivation lors des étapes de corrosion caverneuse et les modes de corrosion observés en eau de mer naturelle ont été reproduits en laboratoire. Des modifications du montage ont été effectuées pour diminuer significativement la période d’incubation de la corrosion caverneuse. Enfin, des modifications de la composition de la nuance 825 ont été  proposés pour maîtriser l’état de précipitation et modifier la chimie du film passif. L’enrichissement en azote est une voie prometteuse permettant l’amélioration de la résistance à la corrosion caverneuse par le contrôle de l’acidité de l’électrolyte et le renforcement de la passivation.

 

Investigation of Ambient Radio-Frequency Energy Harvesting using a Rapid Prototyping Plastronic Approach

Doctorant : Xuan Viet Linh NGUYEN

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

A barrier to overcome of Internet of Things (IoT) devices is their autonomic energy supply scheme and Radio Frequency Energy Harvester (RFEH) is selected among recent energy harvester mechanisms (thermal, mechanical, light, etc.). Another interesting aspect is the possibility of integrating the RFEH onto the surface of polymeric objects. This seems impossible with PCB and FLEX-PCB, but possible with Plastronics. Therefore, the objective is to demonstrate the feasibility of RFEH with Plastronics technology developed in our laboratory, suitable for prototyping. This technology, called Rapid Plastronics, is based on fabricating substrates using Stereolithography (SLA), and realizing the conductive traces applying Electroless Deposition (ELD). The objective was not to develop this technology, but to apply it in the RFEH context.
This thesis is conducted in the following phases.
In the first phase, the studies of materials manufacturing process (Stereolithography (SLA) substrate, ELD copper) in Rapid Plastronics, relative permittivity, loss tangent of the substrate, and resistivity of the conductor are carried out.
In the second phase, designs of patch antenna for the energy harvesting (EH) applications are discussed. A fundamental linearly polarized patch antenna operating at 2.45 GHz is studied, and the impacts of the SLA substrate and the ELD copper on the antenna’s performance are mentioned. Then, the circularly polarized patch antennas being able to capture all the polarizations are studied. The third phase is about the RF-DC rectifiers, the proposed Power Management Unit (PMU), and  the electrical interconnection between the designed antennas, the rectifiers and the PMU. Moreover, identifying the optimal load of the rectifier that offers a vision of setting up the impedance interference between the designed rectifier and the PMU will be also introduced.
In the last phase, the performance of the assembling of the PMU, the rectifiers and the antennas will be analyzed.
 

Refroidissement radiatif des cellules et modules solaires par structuration de surface

Doctorant : Jérémy DUMOULIN

Laboratoire INSA : INL

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Les cellules et modules photovoltaïques s’échauffent considérablement en conditions réelles de fonctionnement, ce qui est néfaste pour leur rendement de conversion et leur durée de vie. L'objectif de cette thèse est d'étudier une stratégie novatrice pour limiter leur échauffement : le refroidissement par échange radiatif avec le ciel. Cette approche consiste à optimiser l'échange radiatif dans les gammes spectrales où il n'y a pas de conversion photovoltaïque, notamment dans le moyen infrarouge pour profiter de la fenêtre de transparence qu'offre l’atmosphère dans la gamme 8-13 µm.
Grâce à des développements théoriques et numériques, le bénéfice théorique que le refroidissement radiatif avec le ciel peut apporter aux dispositifs PV a d'abord été quantifié, et le profil d'émissivité idéal pour les dispositifs photovoltaïques a été déterminé. Les pistes expérimentales prometteuses pour atteindre ce profil ont également été mises en lumière. A l'échelle d'un module en silicium cristallin, il apparaît que les voies les plus engageantes concernent l'ingénierie de l'interface air-verre. A cet égard, une structure optique basée sur une multicouche diélectrique est proposée et analysée. Pour guider d'éventuelles études futures, un ensemble d'outils numériques et méthodologiques pour trouver, concevoir, et quantifier le bénéfice des structures optiques a été développé.
En complément de ces résultats spécifiques au refroidissement radiatif avec le ciel, un modèle opto-électro-thermique est présenté. Ce dernier a pour but de prédire les performances en conditions réelles de fonctionnement directement à partir de la connaissance des matériaux et de l'architecture de la cellule. Nous montrons comment ce modèle d'un nouveau genre permet d'ouvrir de nouvelles voies pour continuer à augmenter la production d'électricité photovoltaïque via une ingénierie plus consciente des effets thermiques.

Analyse et caractérisation des performances électriques de composants en nitrure de Gallium

Doctorant : Maroun ALAM

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Le silicium est le matériau le plus utilisé pour la fabrication des composants de puissance, car il présente de bonnes propriétés électriques et un faible coût de fabrication. Néanmoins, pour des puissances élevées nécessaires dans les applications en électronique de puissance, le silicium présente sa limite. Pour cela, les développements s’orientent vers les matériaux à large bande interdite, comme le SiC, le GaN et le diamant. Ces matériaux sont utilisés dans ce domaine car ils présentent de meilleures propriétés électriques et physiques.
Les HEMT (High Electron Mobility Transistor) sont construits à base d’une hétérojonction AlGaN/GaN, c’est-à-dire que la jonction de ces deux matériaux crée des contraintes mécaniques et conduit à une apparition d’électrons en formant un gaz 2D entre les deux matériaux, entraînant une grande densité d’électrons avec des vitesses élevées. Cependant, ces composants ne sont pas encore totalement fiables. Ainsi, cette thèse entre dans le cadre du projet européen IPCEI/Nano 2022 avec STMicroelectronics qui a pour objectif l’amélioration des performances des composants de puissance. Les travaux ont été divisés selon deux axes de travail. Le premier correspond aux simulations TCAD et dans ce cadre trois structures d’hétérojonction AlGaN/GaN (HEMT Normally On, Normally-OFF et diode) ont été définies. Afin de mieux comprendre l’influence du piégeage sur le comportement électrique et physique des différents dispositifs, des pièges ont été ajoutés dans la structure en variant la concentration de ceux-ci  et l’énergie d’activation. Le deuxième axe concerne les caractérisations électriques. Des caractérisations ont été réalisées sur des diodes Schottky avec une hétérojonction AlGaN/GaN, et différents types de stress ont été appliqués avec pour objectif d’étudier l’évolution de la résistance dynamique. Premièrement, les stress quasi-statique ont été réalisés, correspondant à un passage de l’état bloqué à l’état passant pour une tension  en inverse élevée. Deuxièmement, des commutations dures ont été appliquées avec un nouveau banc qui est le « Double Source Test ». Cela a été utilisé comme un stress dynamique. Finalement, un test de robustesse a été réalisé qui vise à appliquer des surcharges en courant afin d’observer l’évolution des paramètres physiques des diodes après stress.
 

 

Multi-scale characterization of deformation mechanisms of poly- ether-ether-ketone (PEEK) under tensile stretching

Doctorante: Héloïse WILLEMAN

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

L’objectif de cette thèse est d’établir le scénario multi-échelles de déformation du PEEK lorsqu’il est sollicité en traction uniaxiale. Préalablement à la mise en œuvre d’échantillons de deux grades commerciaux de PEEK, les propriétés thermiques et mécaniques de ces matériaux ont été caractérisées. La température d’oubli thermodynamique ainsi que la sensibilité aux vitesses de refroidissement ont été établies. Des éprouvettes de traction ont été obtenues à partir de plaques thermocompressées, procédé choisi pour obtenir des morphologies les plus isotropes possibles.  Les propriétés mécaniques en traction ont ensuite été caractérisées au-dessus et au-dessous de la transition vitreuse de la phase amorphe (Tg). Grâce à un dispositif expérimental fabriqué sur mesure, des essais de traction à deux températures distinctes au-dessous et au-dessus de Tg ont été suivis par diffusion des rayons X aux petits (SAXS) et grands angles (WAXS) pour caractériser les déformations à l’échelle des empilements lamellaires et à l’échelle de la maille cristalline. Simultanément, le champ de déformation a été mesurée par corrélation d’images (DIC) afin de comparer la déformation macroscopique et microscopique. Pour les deux températures, les  lamelles tendent à s’orienter perpendiculairement à la direction de traction (TD). Ce mécanisme d’orientation local (que nous appelons « modèle de réseau de chaînes ») est induit par la transmission des contraintes par les chaînes amorphes reliant les lamelles cristallines adjacentes. Au-dessus de Tg, l’allongement local est plus faible que l’allongement macroscopique dans les lamelles perpendiculaire à TD, ce qui implique que les lamelles inclinées doivent être cisaillées. L’évolution de la distribution d’orientation des lamelles appuie ce résultat. Une morphologie fortement orientée est finalement obtenue quelle que soit la température. Cependant, le profil d’endommagement est différent. En-dessous de Tg, le profil de diffusion centrale indique l’existence de petites entités (lamelles ou crystallites) orientées aléatoirement. A hautes température, le matériau est fibrillaire et présente des cavités.

 

 

Mécanique computationnelle pilotée par des données - Extension pour l'élasto-plasticité et application thermomécanique

Doctorant :  Duc Khai Nguyen PHAM

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

La simulation des procédés thermomécaniques tels que le soudage demande d'une description fine des comportements du matériau afin de prendre en compte divers phénomènes multi-physiques. Vu l'aspect multiparamétrique de la loi retenue, l'identification et la calibration des paramètres deviennent difficile dans certaines conditions extrêmes où les hypothèses ne sont plus valables. Aujourd'hui, les techniques expérimentales de mesure de champ complet et les stratégies de calcul multi-échelle permettent d'accéder à une large quantité sans précédent des données sur la réponse matérielle. La modélisation des comportements de matériau devient un goulot dans le flux des données. Au contraire, Kirchdoefer et Ortiz ont proposé une nouvelle approche, dénommée Data Driven Computational Mechanics \cite{kirchdoerfer_data-driven_2016}, permettant d'incorporer les données du comportement de matériau dans la simulation prédictive. La réponse matérielle est représentée seulement par des données discrètes sous forme des couples tensoriels de déformation à contrainte. Le problème aux limites standard est reformulé en tant qu’une minimisation de distance entre les états physiquement admissibles du corps solide et la base de données. Dans cette thèse, nous explorons cette approche dans l’optique de développer une première preuve de concept visant des applications de la simulation du soudage. Premièrement, nous représentons les idées originales de Kirchdoefer et Ortiz dans un cadre variationnel pour faciliter la compréhension et l’implémentation dans les logiciels de calcul par éléments finis standards. Deuxièmes, nous proposons d’une extension pour l’elasto-plasticité dont la réponse matérielle contient des phénomènes irréversibles en exploitant l’espace tangent de la variété constitutive cachée et les lois de transition sous forme des lois à seuil. Finalement, une nouvelle approche pour gouverner la transition des bases de données, dérivée de la Thermodynamique des Processus Irréversibles (TPI) est présentée. La vérification se réalise par des cas test académiques et un benchmark qui simule un essai thermomécanique de type Satoh.

Structuration de revêtements polymère photopolymérisables pour de nouvelles surfaces glissantes

Doctorante : Amélie TEISSONNIERE

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED534 : Matériaux de Lyon

Dans les travaux présentés, des revêtements polymère photopolymérisés capables de réduire la traînée des coques de bateau d’aviron ont été développés pour améliorer les performances sportives de l’équipe de France lors des Jeux Olympiques de 2024. Pour répondre à cet objectif, nous nous sommes inspirés des surfaces issues de la Nature et plus particulièrement des surfaces superhydrophobes des feuilles de lotus. Un prépolymère de type silicone réactif (méthacrylate ou époxy cycloaliphatique) photoréticulable apportant un caractère hydrophobe au revêtement final a été considéré. Afin d’atteindre une structuration de surface multi-échelles similaire, nous avons eu recours à un procédé de dépôt par pulvérisation (spray-coating) d’une formulation incluant des nanoparticules de silice pyrogénée hydrophobe et des organosilanes. La polymérisation des formulations a été étudiée à l’aide de différents méthodes d’analyse spectroscopique (IR, Raman) et calorimétrique (DSC-UV) afin de déterminer les paramètres influençant la polymérisation et d’optimiser formulation et procédé. Les surfaces ont été caractérisées quant à leur microstructure ou topographie (microscopie électronique à balayage et profilométrie) et à leur mouillabilité avec l’eau (angle de contact à l’équilibre et angle de glissement). Ces revêtements ont été mis en œuvre par photopolymérisation, un procédé de choix pour sa simplicité, sa rapidité et sa faible empreinte environnementale (pas de solvant). Avec une telle nature de polymère et un tel type de procédé de mise en œuvre, il est alors possible d’envisager de projeter et réticuler cette formulation 

Ride the Supercoiling: Evolution of Supercoiling-Mediated Gene Regulatory Networks through Genomic Inversions

Doctorant : Théotime GROHENS

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 InfoMaths

Evolution is often considered an unpredictable process, as genetic mutations happen at random.
But the fixation of mutations is not completely arbitrary, as mutations need to pass the sieve of natural selection to be retained.
In particular, the beneficial or deleterious character of a mutation can depend on the genetic background in which it happens, an effect called epistasis.
In this work, I study a particular kind of epistatic interactions in bacteria: the interplay between mutations in the mechanisms regulating DNA supercoiling -- the level of over- or under- winding of DNA -- and genomic rearrangements. I present _EvoTSC_, a mathematical and computational model of DNA supercoiling tailored to study the mutual interaction between gene transcription and DNA supercoiling (the _transcription-supercoiling coupling_ or TSC), and integrated into a full-fledged evolutionary simulation.
I first validate the model by showing that evolution can leverage this coupling to evolve gene regulatory networks that are able to tune gene expression levels in response to environmental perturbations, by changing only the relative positions of the genes  through genomic inversions.
I then show that, in _EvoTSC_ as well as in the evolutionary simulation platform _Aevol_, introducing supercoiling mutations does not seem to speed up evolution, indicating that the evolutionary relevance of epistatic interactions might be not as important as initially thought.
Using _EvoTSC_, I additionally show that the TSC can lead some genes to be activated by an excess of positive supercoiling, providing a plausible mechanism to explain the similar behavior observed in many bacterial genes. Finally, I characterize the structure of these supercoiling-mediated gene regulatory networks, showing that they cannot be reduced to local pairwise interactions.
Interaction with many neighboring genes can indeed be needed to regulate gene expression through supercoiling, providing a possible explanation to the evolutionary conservation of gene syntenies.
 

 

In situ compression of cerium oxides in environmental transmission electron microscopy

Doctorante : Rongrong ZHANG

Laboratoire INSA : MatéIS

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

Ceramic materials present excellent mechanical strength and are used in many fields. However, the most detrimental characteristic of ceramics is their brittleness, which restricts their application. Recent investigations have shown that nanoscale ceramic materials display superior plastic deformation than their bulk counterparts. This plastic behavior at the nanoscale might be interesting to improve the ceramic processing either by decreasing the energy needed during the process or by optimizing the microstructure obtained. However, few studies on plastic behavior of ceramic materials have been reported so far.
This study deals with cerium oxides nanocubes with sizes ranging between 20 and 130 nm. We use in-situ nanocompression tests in Environmental Transmission Electron Microscopy (ETEM) on isolated nanocubes. The cube geometry assures to test the cube along a known crystallographic direction <001>. During the test, stress/strain curves  are obtained from the sensor of the sample holder and coupled with video of the compressed nanoparticle.
Due to a reduction effect of the electron beam in the TEM, different structures are tested, from CeO2 to Ce2O3 depending on the experimental conditions (electron dose or presence of gas around the sample).
We conduct compression tests on bixbyite Ce2O3 and on fluorite CeO2. During compression of bixbyite, we observe the formation of perfect dislocations followed by their dissociation into partials with the formation of stacking faults. This mechanism can be compared to what is observed in FCC structures.
On fluorite CeO2, dislocations appear but rarely dissociate. By using several zone axes, dislocations can be indexed. With our results, the main slip system is identified as
<110>{111}. CeO2 also shows a strong size effect on strength. This size effect is found to depend on the electron dose rate and is reversible. It is discussed by using models from the literature and by considering the deformation mechanism.