Limites ultimes de la SoNde atOmique Tomographique dans la mesure Quantitative de l’Ordre Chimique / Frontiers of quantitative measurment of the local chemical order

Résumé du projet :

Ce projet s’inscrit dans l’étude fondamentale de l’ordre chimique dans les solides, une notion clé en sciences des matériaux, car il conditionne de nombreuses propriétés physiques. En particulier, l’ordre chimique à courte portée (SRO) influence la diffusion atomique, la mobilité des porteurs, et la conductivité thermique. Ces effets sont cruciaux pour des matériaux stratégiques tels que les semi-conducteurs et les alliages métalliques à entropie élevée, prometteurs pour des applications en environnements irradiés. Malgré les progrès des techniques de diffraction, la mesure quantitative du SRO reste limitée, en particulier dans les systèmes complexes, en raison de la convolution des signaux diffusés et de la perte d’information locale. Les techniques de microscopie à résolution atomique ont ouvert de nouvelles perspectives en permettant une analyse directe et locale de l’ordre. Parmi elles, la sonde atomique tomographique (SAT) offre un accès 3D unique à la chimie atomique. Cependant, la quantification fiable du SRO par SAT demeure un verrou majeur, notamment du fait des processus physiques d’évaporation par effet de champ, encore insuffisamment compris. Ce projet vise à lever ce verrou en développant un cadre méthodologique et physique permettant une mesure quantitative de l’ordre chimique. Il combine des approches empiriques, des modèles numériques et des protocoles métrologiques, appliqués d’abord à des systèmes modèles bien documentés, puis étendus à des matériaux plus complexes. Une comparaison entre SAT et microscopie ionique 3D (technique développée au laboratoire) permettra de mieux comprendre les mécanismes de formation des images et de contraindre les modèles physiques. En développant de nouveaux outils de traitement des données, ce projet ambitionne de mesurer localement les paramètres d’ordre. Il se positionne ainsi comme une recherche innovante à fort impact, à l’interface entre instrumentation et modélisation physique.

Version Anglaise

The main challenge of this project is the study of chemical order in solids by Atom probe Tomography. Chemical order is a key concept in materials science, as it governs many physical properties. In particular, chemical short-range order (SRO) influences atomic diffusion, charge carrier mobility, and thermal conductivity. These effects are critical for strategic materials such as semiconductors and high-entropy metallic alloys, which are promising for applications in irradiated environments. Despite advances in diffraction techniques, the quantitative measurement of SRO remains limited, especially in complex systems, due to the convolution of scattered signals and the loss of local information. Atomic-resolution microscopy techniques have opened new perspectives by enabling direct and local analysis of order. Among them, atom probe tomography (APT) provides unique three-dimensional access to atomic-scale chemistry. However, reliable quantification of SRO by APT remains a major challenge, notably due to field evaporation processes that are still insufficiently understood. This project aims to overcome this limitation by developing a methodological and physical framework enabling quantitative measurements of chemical order. It combines empirical approaches, numerical models, and metrological protocols, first applied to well-documented model systems and then extended to more complex materials. A comparison between APT and three-dimensional field ion microscopy (a technique developed in the laboratory) will improve understanding of image formation mechanisms and help constrain physical models. By developing new data-processing tools, this project aims to enable local measurement of order parameters. It is thus positioned as a high-impact and innovative research effort at the interface between instrumentation and physical modelling.

Le laboratoire est une Unité Mixte de Recherche (UMR 6634) entre l’Université de Rouen Normandie, l’INSA Rouen Normandie et le CNRS où il est rattaché à CNRS-Physique (INP). Il est dirigé par Xavier Sauvage, directeur de recherche au CNRS.

Notre identité : Les activités scientifiques du GPM trouvent leurs racines dans l’histoire du laboratoire dont les prémices remontent à la fin des années 60. L’instrumentation scientifique y a toujours joué un rôle central, et les techniques de microscopie et d’analyse des matériaux un rôle fédérateur. Des évolutions progressives ont forgé le GPM d’aujourd’hui, qui possède une plateforme instrumentale de premier rang mondial et des activités dans de nombreux champs thématiques. Celles-ci sont distribuées dans cinq départements thématiques :

L'environnement régional : Le GPM est un des laboratoires fondateurs de l’Institut CARNOT ESP (Energie et Systèmes de Propulsion) en raison de ses recherches partenariales sur les verrous technologiques des matériaux liés à l’Energie (Production, Transfert, Stockage) et le Transport (Automobile, Aéronautique, Aérospatial). Il est aussi membre du Pôle de Compétitivité MOVEO, de la filière « Normandie AéroEspace (NAE) » et de la filière Normande « Energies ». Le GPM est également membre fondateur du Laboratoire d’Excellence EMC3 (Centre des Matériaux pour l’Energie et de la Combustion Propre) et est porteur du projet d’Equipement d’Excellence GENESIS (Groupe d’Etudes et de Nanoanalyses des Effets d’Irradiations) pour l’étude de matières radioactives. Le GPM est un laboratoire de la fédération CNRS IRMA (Institut de Recherche sur les Matériaux à Propriétés Avancées, en association avec le CIMAP et le CRISMAT), qui est elle-même membre du réseau National de Microscopies (METSA). Il est également membre du Centre de Compétences C’Nano Nord Ouest, et du Réseau d’Intérêt Normand « Energie et Matériaux ».

Des relations internationales abondantes : Le GPM se place résolument dans une dynamique de collaborations internationales fortes avec 50% des articles scientifiques co- signés avec des chercheurs d’institutions étrangères. Nous avons également à cœur de promouvoir la diversité en recrutant la moitié de nos doctorants et chercheurs contractuels à l’étranger. Notons enfin notre laboratoire franco-américain « Advanced Mechanics and Materials Engineering (AMME) » associé au département « Mechanical & MaterialEgineering » de l’Université de Lincoln au Nebraska (USA).

Des liens fort avec le monde industriel : Une partie de nos activités de recherche est réalisée en partenariat avec des partenaires industriels. Le GPM est laboratoire commun avec le Centre R&D d’EDF (laboratoire commun EM2VM : Etude et Modélisation des Microstructures pour le Vieillissement des Matériaux) et la société Manoir Industrie (IPERS : Innovation and performance of refarctory Steels). Par ailleurs, des collaborations passées ou présentes ont été développées avec NEXANS, ACOME, EdF, INTEL, CAMECA, Constellium, Manoir Industries, Volum- e, Ascometal, Aperam, Aubert et Duval, Arcelor-Mittal, Framatome, ZODIAC Aerospace, ZODIAC Aerosafety Systems , SAFRAN Nacelles, SAFRAN Aerosystems, Ariane group, Technip-FlexiFrance, Framatom, FAVI, AREVA, Hutchinson, Cyclamen, Galloo, Eco- systèmes, Selfrag, STMicrolectronics, IBS, EADS, TRT, TGS, TSA, THAV, TR6, Airbus, Valeo, NXP, Safran Hispano Suiza, Thales Air System, Ligeron, MBBM, A&S, Areelis, MBDA, Thales Com & Security, Sagem, SAFRAN Aerosystems, APTAR Pharma, AFP, NUTRISET, SEALED AIR, Francofil, L’OREAL Recherche et Innovation, OFITECH/ONDULINE, Polyone, BMG-Securits, BERTIN, PEG, Sanofi, Exsymol,...

L’implication dans l’enseignement et la formation par la recherche : Le GPM est au cœur de l’enseignement supérieur normand à travers deux tutelles, l’Université de Rouen Normandie et l’INSA de Rouen. Par ailleurs le laboratoire accueille une quarantaine de stagiaires et 15 nouveaux doctorants tous les ans, contribuant ainsi pleinement à la formation par la recherche.

Master 2 ou diplome d'ingénieur, (H ou F) parmis

Physique,

Chimie des Matériaux, 

Sciences des Matériaux,

Physique du Solide,

Traitement de données (cursus préliminaire de Physique jusqu'à bac+3)

Aime l'expérimental et le traitement des données, 

Des compétences en programmation / utilisation des outils de traitement de style Origin / Matlab / Python seraient un plus