Microspectroscopie Raman compressive des états transitoires dans les matériaux de batteries

Compressive Raman microspectroscopy of transient states in battery materials

• Auteur / Autrice : Hankun Yang
• Direction : Hilton Barbosa de aguiar, Jean-Marie Tarascon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure

Mots clés

Mots clés libres

Raman

Acquisition comprimée

Matériaux de batteries

Super-résolution

Raman

Compressive sensing

Battery materials

Super-resolution

Ultrafast charging

Résumé

Même si les développements technologiques en matière de microspectroscopie Raman sont impressionnants en termes de rapidité, il reste le problème de la génération d'un ensemble de données extrêmement volumineux, un aspect qui exclut la microspectroscopie à débit vidéo. Récemment, l'imagerie Raman compressive est apparue comme un concept de changement de paradigme : exploitant des concepts avancés de traitement du signal (imagerie à pixel unique) [1] avec la spectroscopie Raman afin d'obtenir une imagerie à haute sélectivité chimique à grande vitesse. L'idée de base du Raman compressif est de concevoir une expérience capable d'obtenir le même résultat que le Raman traditionnel, mais en effectuant moins de mesures. À cette fin, un nouveau modèle d'expérience est développé, qui exploite généralement des filtres spectraux programmables utilisant un dispositif à micromiroir numérique rapide (DMD). Nous avons récemment développé de nouvelles méthodologies d'imagerie Raman compressive conduisant à l'acquisition d'imagerie spectrale la plus rapide à ce jour d'échantillons biologiques [2]. Dans ce projet, nous combinerons la puissance du Raman compressif avec des problèmes d'actualité en physique/chimie du solide, en étroite collaboration avec des experts du Collège de France (groupe Tarascon). Ici, la spectroscopie Raman est couramment utilisée pour suivre les changements de phase, les réactions chimiques et la structure locale, mais en raison des temps d'acquisition généralement longs et de la faible résolution spatiale des expériences Raman traditionnelles, aucune information spatiale ou dynamique élevée ne peut normalement être recueillie. En utilisant le Raman compressif, le candidat surmontera ce problème et travaillera spécifiquement sur l'acquisition de données, l'analyse et l'interprétation d'expériences d'imagerie Raman in operando de batteries lithium-ion. Le développement du projet sera expérimental (imagerie, conception d'expériences operando, etc.), mais il y aura diverses tâches informatiques, par conséquent, une expérience de base avec les langages de programmation est nécessaire. Ce projet vise à étendre la collaboration en cours entre les deux groupes [3]. [1] Edgar et al. Nat. Photonics 13, 13 (2019). [2] Soldevila et al., Optica 6, 341 (2019); Sturm et al., ACS Photonics 6, 1409 (2019) [3] Degoulange et al., PNAS 120, e2220662120 (2019); Pandya et al., Nat. Nanotech. (in press); Pandya et al., arXiv:2211.05818 (2022).

Even though the technological developments in Raman microspectroscopy are impressive in terms of speed, there is still the issue of overwhelmingly large data set generated, an aspect that precludes video rate microspectroscopy. Recently, compressive Raman imaging has emerged as a paradigm shift concept: exploiting advanced signal processing concepts (single-pixel imaging) [1] with Raman spectroscopy in order to achieve high chemical selectivity imaging with high speed. The basic idea in compressive Raman is to design an experiment which can retrieve the same outcome as traditional Raman, however performing fewer measurements. For that purpose, a new design of the experiment is developed, which typically exploit programmable spectral filters using fast digital micromirror device (DMD). We have recently developed novel methodologies for compressive Raman imaging leading to the fastest spectral imaging acquisition to date of biological specimens [2]. In this project, we will combine the power of compressive Raman with topical problems in solid state physics/chemistry, in close collaboration with experts from College de France (Tarascon group). Here, Raman spectroscopy is routinely used to track phase changes, chemical reactions and local structure but due to the typically long acquisition times and low spatial resolution of traditional Raman experiments no high spatial or dynamic information can normally be garnered. Using compressive Raman the candidate will overcome this problem and specifically work on data acquisition, analysis and interpretation of in operando Raman imaging experiments of lithium ion batteries. The development of the project will be experimental (imaging, operando experiment design, etc), however there will be various computational tasks, therefore, basic experience with programming languages is needed. This project aims to extend the ongoing collaboration of the two groups [3]. [1] Edgar et al. Nat. Photonics 13, 13 (2019). [2] Soldevila et al., Optica 6, 341 (2019); Sturm et al., ACS Photonics 6, 1409 (2019) [3] Degoulange et al., PNAS 120, e2220662120 (2019); Pandya et al., Nat. Nanotech. (in press); Pandya et al., arXiv:2211.05818 (2022).