Miroirs interférentiels multicouches à très courtes périodes pour les rayons X // Mulitlayer interference mirrors with ultra-short periods for X-ray optics

La fusion par confinement inertiel est une voie privilégiée pour accéder expérimentalement aux conditions extrêmes de la matière (haute-température et haute-pression) via l'implosion d'une cible. Le CEA (commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives) et le laboratoire Charles Fabry ont une longue expérience de collaboration dans le développent de diagnostics plasma dans ce domaine X [1-4].
Le travail de thèse proposé se situe dans le cadre du développement des futurs diagnostics X pour les installations de fusion par confinement inertiel et s'inscrit dans la continuité du travail mené ces dernières années. En particulier, une étude exploratoire et systématique a permis d'identifier les critères de choix et tester des nouveaux couples de matériaux et procédés de dépôts prometteurs.
Cependant, une brique technologique majeure reste manquante : la capacité de réaliser des dépôts à très courtes périodes ( < 3 nm). L'enjeu va au-delà de l'application d'imageur X pour le LMJ. En effet, elle vient compléter l'offre d'optiques disponibles entre les dépôts multicouches actuels (couches « épaisses » et ajustables) et les cristaux (couches d'épaisseurs atomiques non ajustables).

La réalisation de dépôt multicouches de très courtes périodes représente un défi important : les couches ont une épaisseur similaire aux défauts d'interface, ce qui limite fortement les performances optiques. Les interfaces sont dégradées par l'interdiffusion d'une couche dans l'autre. Dans la littérature, l'hypothèse prépondérante mais jamais expérimentalement validée, est que l'interdiffusion est pilotée par l'énergie de surface des matériaux empilés.

Un des objectifs de cette thèse est de valider cette hypothèse, en mesurant l'énergie de surface via la technique d'angle de contact d'une goutte de liquide (ex : eau) posée sur l'échantillon. Pour cela, un banc de caractérisation sera développé et mis en œuvre par l'étudiant. Le banc est composé d'une source de lumière (ex : LED) et d'une caméra avec son objectif. Un traitement d'image, par exemple en python, permettra d'évaluer l'angle de contact. Un modèle issu de la littérature sera utilisé pour relier l'angle de contact à l'énergie de surface.

Une étude bibliographique permettra une sélection de matériaux selon leur énergie de surface. Les meilleurs seront déposés en couche mince et leur énergie de surface mesurée. L'interdiffusion sera caractérisée en premier lieu par des moyens du laboratoire en utilisant la réflectométrie en incidence rasante combinée à un modèle physique bien établi. Pour les meilleurs échantillons, l'interdiffusion sera caractérisée par une analyse microstructurale via des techniques de microscopie haute résolution. Des prototypes de miroirs interférentiels opérant à 60 keV seront produits et caractérisés, notamment en réflectométrie à la longueur d'onde sur installations synchrotrons (ESRF, BESSY 2).
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Inertial confinement fusion is a preferred method for experimentally accessing the extreme conditions of matter (high temperature and high pressure) via the implosion of a target. The CEA (French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) and the Charles Fabry Laboratory have a long history of collaboration in the development of plasma diagnostics in this X-ray domain [1-4].
The proposed thesis work falls within the framework of the development of future X-ray diagnostics for inertial confinement fusion facilities and builds upon the work carried out in recent years. In particular, an exploratory and systematic study has made it possible to identify selection criteria and test promising new material and deposition process combinations.
However, a major technological component remains missing: the ability to perform very short-period deposition (< 3 nm). The challenge goes beyond the application of X-ray imaging for the LMJ. Indeed, it complements the range of optics available between current multilayer deposition (thick, tunable layers) and crystals (non-tunable layers of atomic thickness).
The creation of multilayer deposition with very short half-lives presents a significant challenge: the layers have a thickness similar to the interface defects, which severely limits optical performance. The interfaces are degraded by interdiffusion from one layer to another. In the literature, the prevailing hypothesis, though never experimentally validated, is that interdiffusion is driven by the surface energy of the stacked materials.
One of the objectives of this thesis is to validate this hypothesis by measuring the surface energy using the contact angle technique of a liquid droplet (e.g., water) placed on the sample. To this end, a characterization setup will be developed and implemented by the student. The setup consists of a light source (e.g., an LED) and a camera with its lens. Image processing, for example using Python, will allow us to evaluate the contact angle. A model from the literature will be used to relate the contact angle to the surface energy.
A literature review will enable the selection of materials based on their surface energy. The best materials will be deposited as thin films, and their surface energy will be measured. Interdiffusion will initially be characterized using laboratory methods, employing grazing incidence reflectometry combined with a well-established physical model. For the best samples, interdiffusion will be characterized by microstructural analysis using high-resolution microscopy techniques. Prototypes of interference mirrors operating at 60 keV will be produced and characterized, notably by wavelength reflectometry at synchrotron facilities (ESRF, BESSY 2).
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Début de la thèse : 01/10/2026

Ressources propres de l'unité de recherche

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Master (ou diplôme d'ingénieur) en optique ou en sciences des matériaux. Goût pour le travail expérimental, l'analyse de données et la modélisation.
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