Thèse Étude des Propriétés Physiques et Stabilité des Réseaux de Nanofils Métalliques Recherche de leur Intégration Efficace au Sein de Dispositifs Fonctionnels H/F - Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire des matériaux et du génie physique
Direction de la thèse : Daniel BELLET ORCID 0000000299293696
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-17T23:59:59

Les réseaux de nanofils métalliques sont bien étudiés depuis maintenant deux décennies [Maurya et al., 2025]. Ils font notamment l'objet d'études physiques fort intéressantes (étude de la percolation, compromis transparence optique et conduction électrique, effets de l'échelle nanométrique etc). Sur le plan applicatif, ils constituent d'efficaces électrodes transparentes flexibles, et peuvent être intégrés par exemple dans des cellules photovoltaïques, des écrans tactiles, des films chauffants transparents, des OLEDs etc. L'idée n'est pas de synthétiser les nanofils métalliques au laboratoire (le LMGP travaille soit avec des nanofils commerciaux soit par collaborations avec des chimistes compétents), mais de déposer des réseaux sur des substrats de verre ou polymériques, d'étudier leurs propriétés physiques et leur stabilité. Afin d'augmenter cette dernière on dépose de façon conforme (souvent par Spatial Atomique Layer Deposition) une couche très mince (quelques nm d'épaisseur) d'oxyde métallique (ZnO, TiO2, Al2O3...) qui bloque la diffusion de surface des atomes d'argent et évite ainsi toute instabilité morphologique (i.e. sphéroïdisation) des nanofils métalliques. Ces derniers sont très souvent à base d'argent, mais on cherche à les remplacer par d'autres métaux (Cu...) ou des nanofils coeur-coquille (Cu@Ni...). Le but de la thèse est double. Sur un plan fondamental, on cherchera à poursuivre les travaux récents de recherche dans le cadre de la thèse de Buyun Zhang (bourse CRC 2023-2026) et de deux découvertes récentes au LMGP qui apparaissent marquantes : i/ la percolation duale (la percolation électrique et optique apparaissent pour deux densités de réseau très différentes) et ii/ l'anisotropie azimutale de l'émissivité infrarouge des réseaux alignés de AgNW. Sur un plan plus applicatif, le but est de mieux comprendre et optimiser les propriétés et la stabilité des réseaux AgNW, en vue d'intégrer ces électrodes transparentes dans des cellules solaires, des couches de faible émissivité (permettant un management thermique efficace) ou encore le « resistive switching ». Les approches considérées pour cette thèse concernent surtout un travail expérimental (fabrication, caractérisation des réseaux de nanofils métalliques), mais aussi une meilleure compréhension des propriétés physiques grâce à des modélisations physiques. Des approches d'éco-conception seraient aussi très utiles pour le projet de thèse ; par exemple en utilisant des nanofils d'argent issus non pas d'argent pur mais d'argent recyclé issu d'anciens panneaux photovoltaïques (collaboration en cours avec le SyMMES et l'entreprise ROSI). Remarque: le pdf joint à cette demande comporte une figure qui résume grossièrement le projet de thèse.

Ce projet sera mené au laboratoire LMGP sous la direction de Daniel Bellet, physicien des matériaux et spécialiste des réseaux de nanofils métalliques, et de Carmen Jiménez, ingénieure en science des matériaux et spécialiste de dépôt et caractérisation de couches minces fonctionnelles. Ce projet représente une étape clé dans le rapprochement des travaux expérimentaux et par modélisation physique menés au LMGP ces dernières années, mais aussi au travers de plusieurs collaborations, et la volonté d'aller aussi vers plus d'intégration de ces réseaux de nanofils métalliques au sein de dispositifs fonctionnels. Les travaux de recherche ces dernières années au LMGP ont permis de mieux comprendre les propriétés physiques et la stabilité des réseaux de nanofils métalliques. L'idée est maintenant de poursuivre ces travaux de recherche fondamentale, en se focalisant notamment plus encore sur les propriétés assez peu étudiées qui concernent l'émissivité dans l'infrarouge (IR) de ces réseaux. La compréhension et la maitrise de l'émissivité (et sa dépendance avec les paramètres clés) devrait permettre de mettre au point des films minces et flexibles de faible émissivité, mais aussi d'anisotropie d'émissivité, ce qui intéresse les industriels pour des problématiques de management thermique (isolation thermique de satellites par exemple). Des contacts ont déjà été pris dans ce sens avec l'entreprise AddevMaterials. D'autres applications peuvent voir le jour assez facilement comme par exemple l'intégration de ces réseaux comme électrodes transparentes par exemple dans des dispositifs électrochromiques (la preuve de concept a été faite dans le cadre de la thèse d'Ambreen Kahn [Khan et al. 2024], thèse soutenue en février 2025).

Le projet vise à étudier les propriétés et stabilité des réseaux percolants de nanofils métalliques; et ce en fonction : i/ de la nature chimique des nanofils dont la structure peut être monofilaire (métalliques Ag, Cu etc, ou alliages AgxCu1-x etc), coeur-coquille métal-métal (Cu@Ni etc) ou métal-oxyde (Ag@Ti02 etc) ; ii/ de la dimension de ces nanofils (diamètre et longueur moyennes) ; iii/ de la densité du réseau ainsi formé ; iv/ des effets d'un coating déposé sur le réseau (qui augmente en général la stabilité des réseaux) et enfin v/ des défauts structuraux du réseau (variations spatiales de densité, non-isotropie d'orientation des nanofils etc). Les propriétés physiques concerneront notamment la conduction électrique, la transparence optique (aussi bien directe que diffuse), les propriétés mécaniques (notamment flexibilité et adhésion au substrat). De façon plus originale le but est d'étudier l'émissivité infrarouge de ces réseaux : celle-ci apparait dépendre de la dimension des nanofils et de la densité du réseau (avec la découverte récente au laboratoire de la percolation optique qui reste à mieux comprendre sur le plan physique). Peu d'informations existent à l'heure actuelle sur la dépendance de l'émissivité IR avec la nature chimique du métal constituant les nanofils, les dimensions de ces derniers, ou sur la nature et l'épaisseur d'un coating d'oxyde métallique ; mais aussi l'anisotropie azimutale récemment observée aussi sur des réseaux de nanofils alignés. L'objectif est d'obtenir plus de données expérimentales sur ces aspects-là. Ce projet devra contribuer de manière significative à une meilleure compréhension des mécanismes physiques impliqués dans les propriétés de ces matériaux, en permettant notamment de mieux élucider les corrélations entre propriétés structurales, optiques (dans les domaines du visible et de l'infrarouge) et enfin électriques de ces réseaux percolants de nanofils métalliques. Cela permettrait d'optimiser les réseaux pour des applications données. De façon à atteindre les objectifs visés, les approches devront être menées de façon expérimentale mais aussi par des modélisations physiques adaptées. La stabilité sera étudiée tant du point de vue de la stabilité thermique, électrique et chimique [Bardet et al., 2023]. Du point de vue applicatif on visera des applications, si possible en partenariat avec l'industrie, tant sur le plan de l'éco-conception (collaboration avec ROSI) que des applications en lien avec les propriétés d'émissivité IR pour le management thermique (collaboration avec AddevMaterials).

Les principales méthodes qui seront concernées par ce projet sont les suivantes :
1/ Dépôt par spray de réseaux de nanofils métalliques, et caractérisation structurale (TEM, MEB, XRD), chimique (XPS, EDX), optique (transmittance spéculaire et diffuse mesurées par spectrophotométrie, émissivité dans l'infrarouge mesurée soit par caméra infrarouge soit au sein d'un spectromètre FTIR) et électrique (par mesures 2 pointes ou 4 pointes). Les expériences in-situ et/ou multi-échelles sont privilégiées.
2/ Modélisation physique [Baret et al., 2024] permettant de mieux cerner les corrélations entre les propriétés physiques (structurales, optiques, électriques...) observées à l'échelle macroscopique et les paramètres définis à l'échelle des nanofils (structure, dimensions, nature chimique...) et du réseau (densité, isotropie, défauts au sein du réseau...).
3/ Etude de la stabilité des réseaux percolants de nanofils métalliques, sous contrainte thermique, électrique, chimique (humidité associée au chauffage) ou encore mécanique (flexion, traction) [Bardet et al., 2023], [Gassaba et al., 2023].
4/ Etude de l'effet du coating de films très minces par exemple d'oxyde métallique sur aussi bien les propriétés physiques que la stabilité des réseaux [Sekkat et al., 2024].
5/ Etude et tests de l'intégration de ces réseaux au sein de dispositifs fonctionnels tels que des cellules solaires, des films électrochromiques [Khan et al., 2024], des films de faible émissivité. Ces études sont souvent menées grâce à des mesures in-situ [Chernukla et al., 2025], [Bardet et al., 2024].

Nous recherchons un(e) étudiant(e) très motivé(e), intéressé(e) par un projet interdisciplinaire. Il/elle devra posséder un Master 2 en science des matériaux ou nanomatériaux, en physique ou physico-chimie. Le bon sens, les compétences relationnelles, le dynamisme, la rigueur et l'esprit d'équipe seront appréciés. Les candidats doivent maitriser couramment l'anglais (niveau C1 exigé), et être capables de travailler en environnement multidisciplinaire et international.