Thèse Fonctionnalisation de Surfaces Nano-Structurées de Semi-Conducteurs Iii-V pour la Conversion d'Énergie H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Clermont Auvergne École doctorale : Sciences Fondamentales Laboratoire de recherche : Institut Pascal Direction de la thèse : Guillaume MONIER ORCID 0000000223683110 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-25T23:59:59 Les technologies de conversion de l'énergie photovoltaïque progressent en termes d'efficacité et de coût pour concurrencer les combustibles fossiles. Cependant, le développement des centrales solaires à grande échelle pose des défis liés au stockage et au transport de l'énergie produite. La dissociation de l'eau par l'énergie solaire, inspirée de la photosynthèse, représente une approche prometteuse pour la production d'hydrogène. Dans ces cellules photoélectrochimiques, des photoélectrodes semi-conductrices sont utilisées pour réaliser la réaction cathodique de l'hydrogène et la réaction anodique de l'oxygène à partir des deux ressources les plus abondantes : le soleil et l'eau [1]. Les semi-conducteurs III-V sont particulièrement intéressants pour cette application en raison de leurs propriétés favorables (absorption lumineuse importante, mobilité accrue des porteurs de charge et transferts de charge efficaces vers l'électrolyte). Toutefois, leur coût élevé et leur corrosion rapide en milieux électrochimiques limitent leur utilisation [2].
Le sujet proposé dans l'équipe Surface et Interfaces de l'Institut Pascal vise à exploiter l'arséniure de gallium (GaAs), le phosphure de gallium (GaP) et le nitrure de gallium (GaN) en utilisant les avantages du bombardement ionique comme outil efficace pour la nanostructuration et la fonctionnalisation de surface [3]. En effet, le bombardement par clusters d'ions est une technique efficace pour modifier les propriétés de surface des semi-conducteurs III-V. Cette méthode induit des modifications contrôlées de la surface, influençant des propriétés essentielles telles que l'énergie de bande interdite et la mobilité des porteurs de charge. Ainsi, en contrôlant précisément les paramètres d'irradiation, tels que l'énergie des ions, l'angle d'incidence, la fluence et la taille des clusters, il est possible de fabriquer des nanostructures aux dimensions et formes spécifiques, ouvrant une voie possible dans l'amélioration des performances de ces matériaux.
Dans un premier temps, l'impact du bombardement par cluster d'ions sur les surfaces semi-conductrices sera analysé, notamment en termes de structuration et de fonctionnalisation des surfaces. L'objectif principal sera d'acquérir une compréhension et un contrôle des modifications induites et/ou des nouvelles propriétés physico-chimiques (comportement électrochimique et optoélectronique, cristallographie). Pour cela, des caractérisations in situ grâce au nouveau bâti ultra haut vide SPECS récemment acquit seront menées : par spectroscopies électroniques telles que l'XPS pour l'analyse chimique des modifications de la surface et l'UPS pour étudier le changement induit dans les bandes de valence (énergie, alignement, travail de sortie), ainsi que par diffraction des électrons lents (LEED) pour étudier la cristallinité. Ces résultats seront complétés par des études ex situ de microscopie (SEM, TEM, AFM) ainsi que des mesures électriques et optiques.
Dans un second temps, les structures obtenues seront stabilisées chimiquement par traitement par plasma d'azote. En effet, ce traitement est connu pour générer une couche supérieure nitrurée électriquement transparente ayant une très bonne stabilité à l'air [4]. Ces modifications contrôlées permettront d'optimiser l'utilisation des structures électroniques développées comme photo-anodes efficaces. Des tests chimiques et/ou électro-chimiques seront menés afin de déterminer leur stabilité en solution corrosive ainsi que leurs performances.
[1] M. Grätzel Nature (2001) https://doi.org/10.1038/35104607
[2] Mekan Piriyev Solar Energy Materials and Solar Cells (2023) https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112138
[3] Vladimir N. Popok Surface Science Reports (2011) https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2011.05.002
[4] H. Mehdi Applied Surface Science (2018) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152191 / H. Mehdi Applied Surface Science (2022) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.08.002 Les technologies de conversion de l'énergie photovoltaïque progressent en termes d'efficacité et de coût pour concurrencer les combustibles fossiles. Cependant, le développement des centrales solaires à grande échelle pose des défis liés au stockage et au transport de l'énergie produite. La dissociation de l'eau par l'énergie solaire, inspirée de la photosynthèse, représente une approche prometteuse pour la production d'hydrogène. Dans ces cellules photoélectrochimiques, des photoélectrodes semi-conductrices sont utilisées pour réaliser la réaction cathodique de l'hydrogène et la réaction anodique de l'oxygène à partir des deux ressources les plus abondantes : le soleil et l'eau. Les semi-conducteurs III-V sont particulièrement intéressants pour cette application en raison de leurs propriétés favorables (absorption lumineuse importante, mobilité accrue des porteurs de charge et transferts de charge efficaces vers l'électrolyte). Toutefois, leur coût élevé et leur corrosion rapide en milieux électrochimiques limitent leur utilisation. L'impact du bombardement par cluster d'ions sur les surfaces semi-conductrices sera analysé, notamment en termes de structuration et de fonctionnalisation des surfaces. L'objectif principal sera d'acquérir une compréhension et un contrôle des modifications induites et/ou des nouvelles propriétés physico-chimiques (comportement électrochimique et optoélectronique, cristallographie). Les structures développées seront stabilisées chimiquement par traitement par plasma d'azote en vue de leur utilisation comme photo-anodes efficaces. Des caractérisations in situ grâce au nouveau bâti ultra haut vide SPECS récemment acquit seront menées : par spectroscopies électroniques telles que l'XPS pour l'analyse chimique des modifications de la surface et l'UPS pour étudier le changement induit dans les bandes de valence (énergie, alignement, travail de sortie), ainsi que par diffraction des électrons lents (LEED) pour étudier la cristallinité. Ces résultats seront complétés par des études ex situ de microscopie (SEM, TEM, AFM) ainsi que des mesures électriques et optiques.

Etudiant en Master 2 ou école d'ingénieur en physique des matériaux, connaissances dans le domaine des semiconducteurs et de leurs caractérisations sera un plus