CD - Etude des cinétiques de transport d'espèces chargées dans les plasmas transitoires par diagnostic E-FISH pour la construction de bases de données IA // CD - Study of the transport kinetics of charged species in transient plasmas by E-FISH diagnostics

Ce projet de thèse vise à réaliser une étude approfondie du transport des espèces chargées générées dans des décharges fortement transitoires, de l'échelle nanoseconde à picoseconde, à travers la mesure résolue spatialement et temporellement du champ électrique par la technique E-FISH (Electric Field-Induced Second Harmonic Generation). Ces régimes se rencontrent notamment dans les décharges impulsionnelles à barrière diélectrique (iDBD), utilisées pour la génération de nano-plasmas THz, ainsi que dans les nouveaux régimes d'ionisation ultra-rapide de type FHiVI² appliqués à la pulvérisation cathodique avancée.
L'objectif central est de constituer une base de données expérimentale de très haute qualité, commune à ces différents procédés, permettant de caractériser précisément les champs électriques, les fronts d'ionisation et les dynamiques de gaines plasma, avec une résolution spatiale inférieure à 100 µm et temporelle inférieure à 2 ns. Cette base de données aura vocation à alimenter des modèles numériques prédictifs, incluant des approches d'intelligence artificielle, pour le contrôle et l'optimisation de plasmas instables ou de très faible dimensionnalité spatio-temporelle.
Le premier volet portera sur l'optimisation du diagnostic E-FISH pour des conditions basse pression (jusqu'à ~1 Pa) en gaz nobles purs et en mélanges (He, Ne, Ar, Kr, Xe), puis en gaz réactifs (H₂, O₂, N₂). Des abaques expérimentaux seront établis afin d'identifier des signatures E-FISH en fonction des paramètres opératoires.
Le second volet visera à transposer ces résultats aux décharges cathodiques en régime FHiVI², récemment développé et breveté, caractérisé par des taux d'ionisation fortement accrus en HiPIMS. L'introduction d'atomes métalliques (W, Ta, puis C, Si, Ti, Pd) permettra d'étudier l'influence des espèces métalliques sur la réponse E-FISH et sur les mécanismes de transport en régime transitoire.
Enfin, le troisième volet consistera à structurer l'ensemble des données acquises en une base cohérente et exploitable pour le développement d'un modèle numérique prédictif intégrant des outils d'IA. L'objectif final est de démontrer la capacité du diagnostic E-FISH à déterminer la composition d'un gaz ou d'un plasma à partir de sa réponse à un champ électromagnétique, ouvrant des perspectives majeures pour la compréhension et le contrôle des plasmas avancés.
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This PhD project aims to conduct an in-depth investigation of charged-species transport in strongly transient discharges, from nanosecond to picosecond time scales, through spatially and temporally resolved electric-field measurements using the E-FISH (Electric Field-Induced Second Harmonic Generation) diagnostic. Such regimes are encountered in impulsive dielectric barrier discharges (iDBD) for THz nano-plasma generation, as well as in ultrafast ionization regimes such as FHiVI², developed for advanced cathodic sputtering processes.
The central objective is to build a high-quality experimental database common to these plasma processes, enabling precise characterization of electric fields, ionization fronts, and sheath dynamics, with spatial resolution below 100 µm and temporal resolution below 2 ns. This database will serve as a foundation for predictive numerical modeling, including artificial intelligence approaches, aimed at controlling unstable plasmas or plasmas with extremely reduced spatial and temporal scales.
The first work package will focus on upgrading the E-FISH diagnostic for low-pressure operation (down to ~1 Pa) in pure noble gases and mixtures (He, Ne, Ar, Kr, Xe), followed by reactive gases (H₂, O₂, N₂). Experimental calibration charts will be established to identify specific E-FISH signatures as a function of operating parameters.
The second work package will extend these results to cathodic discharges operating in the FHiVI² regime, recently developed and patented, which enables significantly enhanced ionization rates in HiPIMS processes. The introduction of metallic species (W, Ta, then C, Si, Ti, Pd) into the plasma will allow investigation of their influence on E-FISH response and transient transport mechanisms.
Finally, the third work package will structure the collected measurements into a coherent, high-quality database for the development of a predictive numerical model incorporating AI tools. The ultimate objective is to demonstrate, as a proof of concept, that the E-FISH diagnostic can determine the composition of a gas or plasma from its electromagnetic response, opening new perspectives for advanced plasma diagnostics and control.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Lorraine

606 C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE

Ce travail nécessite principalement des compétences en physique des plasmas et/ou laser. Des compétences en traitement numérique et/ou analyse de bases de données scientifiques. Un fort intérêt pour le travail expérimental est nécessaire. La curiosité, la rigueur, l'autonomie et le goût pour le travail méthodique en équipe sont des qualités qui seront indispensables. La langue anglaise et/ou française doit être maîtrisée à l'écrit et à l'oral.
This job primarily requires expertise in plasma and/or laser physics. Skills in numerical processing and/or analysis of scientific databases are also necessary. A strong interest in experimental work is essential. Curiosity, rigor, autonomy, and a knack for methodical teamwork are indispensable qualities. Fluency in written and spoken English and/or French is required.