PhD position in Materials Chemistry and Processes (M/ F)

Informations générales

Intitulé de l'offre : Thèse en chimie des matériaux et procédés (H/F)
Référence : UMR5266-MATVEL-006
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : ST MARTIN D HERES
Date de publication : vendredi 25 octobre 2024
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 janvier 2025
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2135,00 € mensuel
Section(s) CN : Chimie des matériaux, nanomatériaux et procédés

Description du sujet de thèse

Cinétique de croissance en solution de cristaux Herbertsmithite

Un effort, commun entre le SIMaP-Grenoble et l’IKZ-Berlin, d'observations in situ par microscopie optique à contraste interférentiel combinées à des simulations Monte Carlo cinétique (KMC) va être entrepris pour mieux comprendre la cinétique de croissance des monocristaux de Herbertsmithite en solution aqueuse. La Herbertsmithite est l'archétype du système liquide de spin quantique basé sur la frustration géométrique. Pour étudier et exploiter les propriétés d'un liquide de spin quantique des monocristaux de grande qualité sont requis. Ainsi, une compréhension approfondie de leur croissance en solution aqueuse constituerait un grand pas vers l'élaboration de cristaux de qualité "quantique" et de dimensions centimétriques. Cette compréhension doit inclure la formation des macromarches et des îlots à l’interface de croissance, et dans une étape ultérieure, la formation des défauts ponctuels. En plus de la Herbertsmithite ZnCu3(OH)6Cl2, nous allons étudier la croissance en solution de l'analogue au Mg, MgCu3(OH)6Cl2, qui est aussi un excellent candidat au statut de liquide de spin quantique mais avec un meilleur contraste Mg/Cu aux rayons X que celui Zn/Cu, et qui par conséquent pourrait ouvrir la voie à une étude plus quantitative des défauts ponctuels. Les observations in situ et temps réel par microscopie optique à contraste interférentiel différentiel ou total, combinées à des mesures par microscopie à force atomique, permettront non seulement de caractériser les exposants de croissance statique et dynamique, de tester les lois d’échelle qui les relie dans le cadre de modèles physiques analytiques, mais aussi de nourrir et de tester directement les simulations numériques effectuées à IKZ-Berlin.
Missions

-Mettre au point une méthodologie instrumentale in situ adaptée au suivi de la croissance des cristaux Herbertsmithite ;
-Simuler numériquement les distributions de populations chimiques dans la solution de croissance sous différentes conditions de température et de pH ;
-Caractériser, par différentes techniques expérimentales, les surfaces de cristaux Herbertsmithite en cours de croissance ;
-Élaborer et caractériser de nouveaux monocristaux dans cette famille de composés avec d’autres cations divalents diamagnétiques à la place du Zn2+ ;
-Interagir avec des physiciens spécialisés en modélisation et simulation numérique de croissance en solution pour élucider les mécanismes de la croissance de ces cristaux.
Activités

-Développement de méthodes de caractérisation in situ de l’interface de croissance (DIC/TIC, AFM) dans le but d’identifier les mécanismes de croissance et de les relier aux calculs Phreeqc ;
-Calculs de thermochimie des solutions de croissance de Herbertsmithite à l’aide de Phreeqc ;
-Caractérisations (in situ et ex situ) chimiques, morphologiques et structurales, de surface, par diverses méthodes de diffraction des rayons X de laboratoire et synchrotron (micro-Laue et micro-XRF), de microscopie à force atomique (AFM), de microscopie optique à contraste interférentiel différentiel ou total (DIC/TIC), d’imagerie par spectroscopie LIBS ;
-Identifier les données nécessaires à la modélisation et simulation numérique des interfaces cristal/solution de croissance de Herbertsmithite en synergie avec des physiciens allemands.

Contexte de travail

Le laboratoire SIMaP, Science et Ingénierie des Matériaux et leurs Procédés, recrute un doctorant (36 mois), dans le cadre d’un projet DFG-ANR géré par le CNRS. Le poste, basé à Saint Martin d’Hères (38), est à pourvoir à partir de janvier 2025. Le SIMaP possède des expertises reconnues au niveau international en croissance cristalline et en thermodynamique appliquée à l’optimisation des procédés. Le/la doctorant/e sera en charge des activités précisées ci-dessus et bénéficiera de l’encadrement scientifique de chercheurs et ingénieurs, ainsi que du support technique de l’unité et de temps d’accès au synchrotron (ESRF). Le thème de recherche proposé s’inscrit dans une série de financements ANR et CNRS réguliers depuis 10 ans, et un contexte international marqué par une très forte compétition pour comprendre la physique du liquide de spin quantique dans la Herbertsmithite. Par conséquent, il/elle sera fortement incité/e à présenter les résultats de ses travaux dans des conférences nationales et internationales, et à évoluer dans le cadre plus général d’une collaboration franco-allemande pour le suivi Raman in situ de la synthèse, les bases de données thermodynamiques pour les calculs Phreeqc, l’imagerie par spectroscopie LIBS, les caractérisations avancées par microdiffraction Laue et microfluorescence de rayons X (sur la ligne BM32@ESRF), la mise en forme des cristaux, les caractérisations AFM, le suivi in situ, la modélisation et simulation numérique de la croissance cristalline.

Contraintes et risques

Travail en boîte à gants, travail au chalumeau.
Contraintes règlementaires en vigueur. Aucun risque.

Informations complémentaires

Compétences attendues :
Bonnes connaissances en thermodynamique et physicochimie des solutions aqueuses, science des matériaux.
Des connaissances complémentaires en physique de la croissance cristalline constitueront un plus.
Intérêt prononcé pour le travail expérimental.