Thèse Modélisations et Caractérisations Expérimentales Multi-Échelles et Multiphysiques des Mécanismes de l'Électrification par Contact aux Interfaces Solides-Solides H/F

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
Direction de la thèse : Jinbo BAI ORCID 0000000265810157
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

Ce projet vise à élucider les mécanismes fondamentaux de l'électrification par contact aux interfaces solide-solide, encore insuffisamment compris à l'échelle nanométrique. Il s'appuiera sur une approche multiphysique et multi-échelle combinant modélisations numériques (DFT, éléments finis) et mesures expérimentales locales par microscopie à force atomique. Les travaux permettront d'établir un modèle prédictif quantitatif du transfert de charges interfacial. Les retombées attendues concernent l'optimisation des dispositifs triboélectriques et la maîtrise des risques liés aux décharges électrostatiques.

L'électrification par contact désigne le phénomène grâce auquel deux matériaux acquièrent des charges nettes après un contact mécanique. Ce phénomène interfacial joue un rôle essentiel dans de nombreux domaines, comme la manipulation de poudre [1], la nano-fabrication [2] ou encore la récupération d'énergie avec les nanogénérateurs triboélectriques (générateur à électricité statique) [3]. Cette importance est vouée à s'accentuer, avec la miniaturisation toujours plus poussée des dispositifs et donc la diminution du rapport entre surface et volume des objets manipulés.
Malgré un siècle de recherches, les mécanismes mis en jeu durant ce phénomène, notamment la nature exacte des porteurs de charge (électrons ou ions), ainsi que leur dynamique de transfert à l'échelle nanométrique restent débattues. Selon la nature des interfaces les modèles défendent ou bien un transfert d'électrons, ou un transfert d'ions, ou de fragments moléculaires ou encore un mélange de ces différents processus [4-7].
Ce projet de recherche vise ainsi à améliorer notre connaissance des mécanismes mis en jeu au cours de l'électrification par contact. L'objectif est de développer des modèles numériques permettant de prédire quantitativement l'apparition des charges à l'interface entre deux solides isolants et leurs effets. Ces modèles devront ensuite être confrontés à des mesures expérimentales précises pour valider leur pertinence.
L'idée est donc, dans un premier temps, d'utiliser plusieurs échelles de simulation (DFT, méthode des éléments finis...) pour décrire le phénomène d'électrification par contact. Dans un second temps, une plateforme expérimentale performante permettant de mesurer les fluctuations locales des charges et la cinétique rapide de leur transfert sera développée. Elle s'appuiera sur les méthodes actuelles de mesure par microscope à force atomique [8,9] qui permettent une visualisation précise des interfaces.
A terme ce projet permettra d'optimiser la géométrie et de rationnaliser le choix des matériaux pour améliorer l'efficacité de l'ensemble des dispositifs où l'électrification par contact est significative. Cela inclut les systèmes de récupération d'énergie ou encore une large variété de capteurs auto-alimentés.

L'électrification par contact désigne le phénomène grâce auquel deux matériaux acquièrent des charges nettes après un contact mécanique. Ce phénomène interfacial joue un rôle essentiel dans de nombreux domaines, comme la manipulation de poudre [1], la nano-fabrication [2] ou encore la récupération d'énergie avec les nanogénérateurs triboélectriques (générateur à électricité statique) [3]. Cette importance est vouée à s'accentuer, avec la miniaturisation toujours plus poussée des dispositifs et donc la diminution du rapport entre surface et volume des objets manipulés.
Malgré un siècle de recherches, les mécanismes mis en jeu durant ce phénomène, notamment la nature exacte des porteurs de charge (électrons ou ions), ainsi que leur dynamique de transfert à l'échelle nanométrique restent débattues. Selon la nature des interfaces les modèles défendent ou bien un transfert d'électrons, ou un transfert d'ions, ou de fragments moléculaires ou encore un mélange de ces différents processus [4-7].
Ce projet de recherche vise ainsi à améliorer notre connaissance des mécanismes mis en jeu au cours de l'électrification par contact. L'objectif est de développer des modèles numériques permettant de prédire quantitativement l'apparition des charges à l'interface entre deux solides isolants et leurs effets. Ces modèles devront ensuite être confrontés à des mesures expérimentales précises pour valider leur pertinence.
L'idée est donc, dans un premier temps, d'utiliser plusieurs échelles de simulation (DFT, méthode des éléments finis...) pour décrire le phénomène d'électrification par contact. Dans un second temps, une plateforme expérimentale performante permettant de mesurer les fluctuations locales des charges et la cinétique rapide de leur transfert sera développée. Elle s'appuiera sur les méthodes actuelles de mesure par microscope à force atomique [8,9] qui permettent une visualisation précise des interfaces.
A terme ce projet permettra d'optimiser la géométrie et de rationnaliser le choix des matériaux pour améliorer l'efficacité de l'ensemble des dispositifs où l'électrification par contact est significative. Cela inclut les systèmes de récupération d'énergie ou encore une large variété de capteurs auto-alimentés.

Ce travail s'organisera autour de trois axes complémentaires.
1. Identification des facteurs physiques prépondérants à inclure dans les simulations
-Etude d'un système de référence : Analyse d'un nanogénérateur triboélectrique par contact séparation à base de PTFE (pour un contact solide-solide) afin d'identifier les facteurs macroscopiques de non-reproductibilité. Ces identifications pourront s'appuyer sur des expériences déjà réalisées par notre équipe.
- Caractérisation des facteurs de non-reproductibilité : Une fois les facteurs de non-reproductibilité identifiés il sera intéressant de chercher les relations entre ces facteurs et les charges surfaciques produites. A nouveau, ces caractérisations pourront s'appuyer sur des expériences déjà réalisées par notre équipe.
2. Modélisation et simulation mécanique multi-échelle
-Simulation à l'échelle mésoscopique : Développement d'un modèle d'éléments finis du dispositif expérimental afin de réaliser une étude des contraintes mécaniques et électriques au niveau des matériaux et prévoir les performances du système.
-Simulation à l'échelle microscopique : Utilisation des simulations de type DFT pour mesurer le comportement microscopique des charges afin d'appuyer une réflexion vers un modèle théorique. Un modèle de dynamique moléculaire pour estimer le comportement dynamique des molécules impliquées peut être également envisagé.
-Modélisation théorique : Construction à partir des résultats expérimentaux et numériques d'un modèle (même simple) permettant de prédire le transfert de charges entre deux matériaux en fonction des paramètres clés établis expérimentalement (humidité, température, surface de contact...).
3. Développement d'une plateforme de mesure des charges surfaciques
-Conception du dispositif de mesure : Etude de la technologie AFM la plus adaptée au cahier des charges établi par les mesures effectuées précédemment dans l'équipe et par la littérature.
-Réalisation de mesures expérimentales : Mise en place de la plateforme expérimentale en prenant en compte l'influence des différents facteurs identifiés et réalisation des premières mesures du champ électrique produit par les charges.
-Développement des méthodes d'analyse des mesures : Utilisation/adaptation d'un algorithme de traitement du signal permettant à partir des mesures expérimentales de retrouver la distribution des charges surfaciques de la zone d'intérêt.
-Validation du dispositif : Comparaison des performances du dispositif à celles obtenues par les méthodes de mesures « standard » AFM.