Investigation of silicides and silicon allotropes for energy applications

The development of renewable energy sources and/or their storage requires the creation of materials that combine both a limited environmental impact and high performance. The use of abundant and low-toxicity elements for these applications is therefore a critical challenge for enabling large-scale deployment.

As part of the Openbar project, supported by the French National Research Agency (ANR), we aim to tackle these challenges by developing new silicon alloys and/or novel allotropes of silicon with open structures. Preliminary ab initio calculations predict the emergence of new phases with the following promising features:

• Semiconductor properties, which could be of interest for energy-related applications (photovoltaic, thermoelectric).
• Open structures, favorable for the diffusion of alkali metals (batteries).

The aim of the thesis will be to synthesize open-structured silicides and study their thermoelectric properties and alkali-metal diffusion through electrochemical methods. The research will be developed along two main axes:

• Material Development: i) Via mechanochemistry followed by SPS sintering. ii) Under high-pressure and high-temperature conditions using a multi-anvil press on the ID06 LVP beamline at the ESRF in Grenoble.
• Material Characterization: The materials will be characterized structurally and microstructurally using X-ray diffraction (XRD) in laboratories and large-scale facilities (ESRF), as well as scanning (SEM) and transmission electron microscopy (HRTEM). They will also be chemically analyzed (EDX, ICP, XPS, EXAFS) and calorimetrically studied (DSC). Electrical, thermoelectric, thermal, optical, vibrational, spectroscopic, and electrochemical properties will also be investigated.

### FR ###

Le développement des sources d’énergies renouvelable et/ou leur stockage nécessite de développer des matériaux ayant à la fois, un impact limité sur l’environnement et des performances élevées. L’utilisation d’éléments abondants et ayant une faible toxicité pour ces applications est par conséquent un enjeu de premier ordre pour leur développement à grande échelle.

Dans le cadre du projet Openbar, soutenu par l’Agence Nationale de Recherche (ANR), nous répondrons à ces défis en élaborant de nouveaux alliages de silicium et/ou de nouvelles formes allotropiques de silicium à structure ouverte. En effet des calculs ab initio préliminaire prédisent l’obtention de nouvelles phases ayant des :

• propriétés semi-conductrices pouvant trouver un intérêt pour des applications dans le domaine de l’énergie (photovoltaïque, thermoélectrique). 
• structures ouvertes, favorables à la diffusion de métaux alcalins (batteries).

L’objectif de la thèse sera de synthétiser des siliciures à structure ouverte et d’en étudier les propriétés thermoélectriques et la diffusion du métal alcalins par voie électrochimique. L’étude sera développée selon les deux axes suivants :

• Élaboration des matériaux : i) par mécanochimie suivie d’un frittage SPS, ii) sous hautes pressions – hautes températures en presse multi-enclume sur la ligne ID06 LVP à l’ESRF de Grenoble.
• Caractérisation des matériaux : les matériaux seront caractérisés d’un point de vue structural et microstructural par diffraction des rayons X (DRX) en laboratoire et en grands instruments (ESRF), par microscopie électronique à balayage (MEB) et en transmission (HRMET). Ils seront caractérisés chimiquement (EDX, ICP, XPS, EXAFS) et calorimétrique (DSC). Les propriétés électriques, thermoélectriques, thermiques, optiques, vibrationnelles, spectroscopiques, électrochimiques seront étudiées.

The University of Montpellier, founded in 1289, is one of the oldest universities in the world, blending tradition and innovation. Ranked among the top institutions, it provides an excellent environment for multidisciplinary research. Located in the heart of a vibrant and sunny city, it attracts students and researchers from around the globe.

The PhD will take place within the ICGM research institute (~400 members). Situated at the heart of the Balard Chemistry Pole, the ICGM is recognized as a center of excellence. It focuses on cutting-edge research in chemistry, tackling key challenges in energy, health and sustainable development, as well as addressing critical societal issues.

Master's degree in Materials Science, Solid-State Chemistry, Condensed Matter Physics, or equivalent.