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Caractérisation electronique de l'interface spintronique (La,Sr)MnO3/SrTiO3
Electronic characterization of the (La,Sr)MnO3/SrTiO3 spintronic interface

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-09-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary

Le but du stage est de réaliser une étude du transport électronique à travers la jonctions tunnel composée de LSMO dans le but de mieux comprendre le rôle de l'interface électrode/barrière dans les propriétés de transport dépendante du spin dans ces dispositifs.
The aim of the internship is to lead a comprehensive study of electronic transport through manganite-based tunnel junctions in order to better understand the role of the electrode/barrier interface on the spin-dependent transport properties of these devices.

Sujet détaillé/Full description

Le but du stage est de réaliser une étude du transport électronique à travers la jonctions tunnel composée de LSMO dans le but de mieux comprendre le rôle de l'interface électrode/barrière dans les propriétés de transport dépendante du spin dans ces dispositifs.
The control of functional properties such as spin-dependent transport is a crucial goal in spintronics. The unique properties of oxide thin films and their heterostructures make them very attractive for achieving this goal. For instance, magnetic tunnel junctions (MTJ) based on the mixed-valence manganite La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) exhibit very high tunnel magneto-resistance (TMR) ratios due to the half-metallic character of LSMO, with record TMR values reported for LSMO / SrTiO3 (STO) / LSMO junctions. However, open questions remain on the reproducibility of large TMR ratios, the type of transport and the link between properties and defects, interface and barrier quality. The landscape of the LSMO density of states (DOS), its dependence versus electric field, the chemical roughness at the interface with the STO barrier, are ill-known factors which can all affect the TMR and that will be investigated during this internship.
LSMO-based MTJ were fabricated and the chemical and electronic profiles of the LSMO/STO interface were characterized in operando, i.e. under an applied voltage using Hard X-ray PhotoEmission Spectroscopy (HAXPES) at the SOLEIL synchrotron (GALAXIES beamline). A systematic study of the electronic transport through the same junctions will be performed during the internship to complement the HAXPES results and thus consolidate the physical understanding of these devices. A study of the electronic noise could also be done to study the intrinsic transport in the structures. Other phenomena appearing under high electric field, such as oxygen vacancy migration and Mn valence state change will also be studied.
The ultimate goal of this project between CEA-SPEC and C2N is to design, fabricate and test new magnetic junctions with optimized properties for sensing applications.

Mots clés/Keywords

Physique des solides, physique des matériaux
Solid state physics, materials

Compétences/Skills

transport électronique
electronic transport

Détection de cellules cancéreuses et de bactéries à l'aide d'un laboratoire sur puce à base de capteurs GMR

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03-06-2019

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

JASMIN-LEBRAS Guenaelle
+33 1 69 08 65 35

Résumé/Summary

Le développement de biopuces à base de capteurs GMR est un projet de biotechnologie pour la santé pour l’innovation diagnostique et thérapeutique. Il est basé sur la combinaison d’un marquage spécifique des anticorps avec des nanoparticules magnétiques et leur détection dynamique avec des capteurs . Le véritable défi est d’obtenir un outil capable de détecter rapidement, de façon simple, sensible et spécifique, différents objets biologiques rares en réponse à un besoin d’urgence de diagnostic clinique et/ou de biosécurité

Sujet détaillé/Full description

Durée du stage (de 3 à 6 mois)
Le projet repose sur le principe fondamental des capteurs GMR (capteurs à magnétorésistance géante) qui permettent une détection locale de très faibles champs magnétiques. En attachant des billes magnétiques à des objets biologiques (cellules, bactéries, protéines), il est possible de détecter un à un ces objets labellisés lors de leur passage au-dessus du capteur.
Au cours de son stage, en collaboration avec une doctorante, l'étudiant optimisera et testera la biopuce constituée de capteurs GMR fabriqués au LNO et d'un canal microfluidique qu'il développera en salle blanche dont la hauteur varie en fonction de la taille des objets biologiques étudiés. Le marquage des objets biologiques a lieu au LERI(Laboratoire d'Etudes et de Recherches en Immunoanalyse). Au sein de ce laboratoire avec lequel nous collaborons, ll greffera sur des billes magnétiques des anticorps spécifiques de la cible à détecter et les incubera avec l’échantillon biologique d’intérêt. L’échantillon est ensuite injecté dans le canal microfluidique. Il optimisera la détection simultanée avec plusieurs capteurs ainsi que la sensibilité et la spécificité des tests réalisées sur des cellules cancéreuses mais aussi sur des bactéries. Il apprendra à maîtriser les différents paramètres physiques et biologiques mis en jeu. L'étudiant devra également comprendre et analyser les résultats obtenus à l'aide de simulations effectuées avec des logiciels de code ou des programmes existants au laboratoire.
Techniques utilisées au cours du stage :


Mots clés : Spintronique, microfluidique, biotechnologie, électronique

Mots clés/Keywords

Magnétisme, microfluidique

Compétences/Skills

Techniques de salle blanche, technique de dépôt par MBE, mesures magnétiques. Préparation d'échantillons biologiques

Elaboration de films minces d’oxynitrures BaTi(OxN1-x)3 par epitaxy par jets moléculaire assistée de plasma atomique
Elaboration of oxinitride BaTi(OxN1-x)3 thin films by atomic plasma assisted molecular beam

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-04-2019

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARBIER Antoine
+33 1 69 08 39 23

Résumé/Summary

L'objectif de ce stage est d’élaborer des couches minces epitaxiées d’oxynitrures BaTi(OxN1-x)3 par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasmas azote et oxygène atomiques. On procédera par dopage de films de BaTiO3 dont les conditions de croissance sont déjà parfaitement maitrisées au laboratoire CEA/SPEC. L’étude sera complétée par des mesures de propriétés macroscopiques comme la ferroélectricité et/ou la photoélectrolyse de l’eau. Des mesures complémentaires pourront être envisagées au synchrotron-SOLEIL.
The objective of the internship is to grown thin BaTi(OxN1-x)3 oxinitride thin films by oxygen and nitrogen plasma assisted molecular beam epitaxy. We will proceed by nitrogen doping of BaTiO3 for which the growth conditions are perfectly mastered in the CEA/SPEC laboratory. The study will be completed by macroscopic characterizations of the ferroelectric and/or photoelectrolytic behaviors. Complementary measurements may be realized at synchrotron-SOLEIL.

Sujet détaillé/Full description

Les oxynitrures constituent une classe de composés présentant un large spectre de propriétés exploitables pour une grande variété d’applications allant des absorbeurs UV destinés à pérenniser des composés organiques fragiles, aux semiconducteurs adaptés aux dispositifs photovoltaïques, photocatalytiques et de photoélectrolyse en passant par des composés magnétiques. L’insertion d’azote, moins électronégatif que l’oxygène, dans le réseau d’un oxyde engendre une augmentation du caractère covalent des liaisons chimiques. Cela se traduit par une diminution de la valeur du gap optique Eg et donc par une modification des propriétés d’absorption du composé ainsi que par le dopage par des porteurs de charges permettant d’envisager de nouvelles propriétés de transport. La réalisation de films minces monocristallins d’oxynitrures est cependant délicate et a été peu étudiée à ce jour.
Nous allons explorer la possibilité de moduler les propriétés de couches minces d’oxydes de titanate de Baryum, BaTiO3, ferroélectriques dont nous maitrisons déjà la croissance par l’adjonction d’un plasma azote durant la croissance. Les taux de dopage resteront faibles. Idéalement, on s’attachera à quantifier le ratio entre la perte de ferroélectricité et le gain de l’activité en tant que photoanode dans la photoelectrolyse de l’eau. On pourra envisager des mesures en diffraction des rayons X pour caractériser le matériau élaboré sur la ligne DiffAbs au synchotron SOLEIL.

Contacts : BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr ; Autres chercheurs impliqués : H. Magnan, J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL)
Oxynitrides are a class of compounds with a broad spectrum of exploitable properties for a wide variety of applications ranging from UV absorbers (to sustain fragile organic compounds), to semiconductors (suitable for photovoltaic), photocatalytic and photoelectrolysis devices to magnetic compounds. The insertion of nitrogen, less electronegative than oxygen, into the lattice of an oxide causes an increase in the covalent nature of the chemical bonds. This leads to a decrease of the optical gap, Eg, value and thus in a modification of the absorption properties of the compound as well as doping by charge carriers making it possible to envisage new transport properties. The production of single crystalline thin oxynitride films is however challenging and has been little studied to date.
We will explore the possibility of modulating the properties of thin films of barium titanate, BaTiO3, a ferroelectric oxide. Its growth conditions are already well mastered and we will proceed by the addition of nitrogen plasma during growth. Doping rates will remain low. Ideally, the ratio between the loss of ferroelectricity and the gain of activity as a photoanode in the photoelectrolysis of water will be quantified. X-ray diffraction measurements may be used to characterize the material developed on the DiffAbs line at the SOLEIL synchotron.

Contacts: BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr ; Other researchers: H. Magnan, J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL)

Mots clés/Keywords

Oxynitrures, épitaxie par jets moléculaires, ferroélectricité, synchrotron
Oxinitrides, molecular beam epitaxy, ferroélectricité, synchrotron

Compétences/Skills

Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires. On utilisera la diffraction des électrons rapides (RHEED), la spectroscopie d’électrons Auger (AES), la photoémission des niveaux de coeur (XPS), la microscopie en champ proche (PFM), la microscopie électronique de basse énergie (LEEM), et éventuellement la diffraction des rayons X sur la ligne DIFFABS.
The candidate will address the UHV techniques associated with the growth by molecular beam epitaxy. The techniques that will be used are Reflexion High Energy Electron Diffraction (RHEED), Auger Electron Spectroscopy (AES), Photoemission core level spectroscopy (XPS), Piezo Force Microscopy (PFM), Low Energy Electron microscopy (LEEM) and eventually X-ray diffraction on the DIFFABS beamline of synchrotron SOLEIL.

Magnétorésistance Géante tout oxyde
All oxide magnetoresistance

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-06-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Solignac Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary

Le but du stage est donc de développer un élément à magnétoresistance géante tout oxyde composé d’électrodes en LSMO et qui présenterait des performances à l’état de l’art en termes de sensibilité et de bruit pour des applications de capteurs magnétiques ultra-sensibles comme la magnétoencéphalographie (mesure directe du signal magnétique émis par le cerveau).
The internship aims at developing a giant magnetoresistive element composed by LSMO which will show state of the art properties in terms of noise and sensitivity. The possible application is ultra high sensitive sensors as magnetoencephalography (direct measurement of the magnetic signal emitted by brain).

Sujet détaillé/Full description

La manganite (La,Sr)MnO3 (LSMO), appartenant à la famille des oxydes de structure pérovskite, présente une très forte polarisation en spin et a un comportement demi métallique, tout en étant ferromagnétique et métallique à température ambiante. Ce matériau semble donc être un bon candidat comme électrode dans des jonctions tunnels magnétiques afin de développer des capteurs magnétiques ultra-sensibles, basés sur la magnétorésistance tunnel (TMR) et fonctionnant à basse température. En effet, des valeurs de TMR de 2000% ont été obtenues pour des jonctions LSMO/SrTiO3 (STO)/LSMO[1]. Cependant ces ratios n’ont pas été reproduits et des valeurs maximales autour de 500% sont usuellement observées. Une des explications avancées est que la forte polarisation du LSMO serait dégradée à l’interface avec la barrière alors que cette interface contrôle les propriétés du transport tunnel. De plus, le niveau de bruit obtenu dans ce type de jonction tunnel tout oxyde est important et lié au transport tunnel à travers la barrière de STO.

Une voie non explorée et qui permettrait de s’affranchir des problèmes avec la TMR serait de développer un élément à magnétorésistance géante (GMR). La barrière isolante est alors remplacée par une barrière métallique, qui allierait un bruit réduit et une magnétorésistance élevée car non limitée par l’interface. L’enjeu est alors de trouver un oxyde métallique qui possède une longueur de diffusion de spin importante, et pour lequel des effets d’interface n’apparaissent pas, afin d'éviter une perte de polarisation de spin dans le LSMO. Le cuprate La4BaCu5O13 (LBCO) est dans cette optique un candidat très intéressant, mais sa croissance par ablation laser reste à optimiser au laboratoire.
Le but du stage est de mettre au point des dispositifs GMR basés sur l'empilement tout-oxyde LSMO/LBCO/LSMO. Tout d'abord il s'agira de maîtriser la croissance de LBCO sur LSMO par ablation laser (pulsed laser deposition, PLD), en étudiant l’impact des paramètres de dépôt sur la structure cristalline et la morphologie du film, analysées par diffraction des rayons X et microscopie à force atomique (AFM). Ensuite, des empilements complets LSMO/LBCO/LSMO seront déposés et des dispositifs GMR micro-fabriqués afin d'en caractériser la magnétorésistance et le niveau de bruit, via des mesures de transport en fonction de la température.

Mots clés/Keywords

Electronique de spin, capteurs magnétorésistifs, films minces oxydes perovskites

Compétences/Skills

Dépôts par ablation laser Microfabrication Mesures de transport et de bruit.

Photo-électrolyse de l’eau assistée par une couche pérovkite ferroélectrique
Water photolectrolysis assisted by a perovskite ferroelectric layer

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-05-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MAGNAN Helene
+33 1 69 08 94 04

Résumé/Summary

Des photo-anodes dédiées à la photo-électrolyse de l’eau seront réalisées et caractérisées. Il s’agira d’hétérojonctions d’oxydes élaborées par épitaxie par jets moléculaires dont une couche sera ferroélectrique et polarisée électriquement. Les effets de la polarisation électrique sur les propriétés de photo-électrolyse seront étudiés.
Thin epitaxial films dedicated to water photolectrolysis will be prepared by atomic oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and characterized. We will study oxide heterojunction containing a polarized ferroelectric layer. We will study the influence of electrical polarization on the photoanode efficiency.

Sujet détaillé/Full description

La photo-électrolyse de l’eau permet la production directe d’hydrogène en utilisant l’énergie solaire. L’hydrogène, en tant que vecteur d’énergie propre et décarbonné, est une piste crédible pour résoudre la paradoxale nécessité d’une augmentation de la production énergétique et de la réduction des gaz à effets de serre. Les photo-anodes les plus performantes sont obtenues avec des oxydes métalliques. Toutefois, à ce jour, aucun oxyde semi-conducteur simple ne réunit toutes les propriétés de photo-anode nécessaires pour permettre une production raisonnable d’hydrogène par ce procédé. Les anodes permettant une bonne absorption du spectre lumineux souffrent d’un taux de recombinaison rédhibitoire. Il faut considérer des architectures de matériaux plus complexes afin d’améliorer les propriétés des électrodes simples. Dans cette étude, nous souhaitons combiner une couche d’oxyde efficace en tant que photo-anode avec une couche d’oxyde pérovskite ferroélectrique, fournissant une polarisation électrique interne permettant d’améliorer les propriétés de transport.
Dans le cadre du stage proposé, on s’attachera, dans un premier temps, à déterminer les conditions de croissance d’hétérojonctions monocristallines de type Fe2O3 / BaTiO3 . Les dépôts seront réalisés sur des substrats adaptés et conducteurs (Pt(001) et Pt(111)), et seront déposés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique, une technique parfaitement maitrisée au laboratoire. La structure cristalline sera déterminée in situ et en temps réel grâce à la diffraction d’électrons rapides (RHEED). La stœchiométrie des films sera déterminée par spectroscopie d’électrons Auger et par photoémission (XPS). Les propriétés de photo-électrolyse (photo-courant, rendement) seront mesurées en lumière blanche et en lumière monochromatique. L’efficacité de la photo-anode sera analysée en fonction de la nature de l’heterojonction et de l’orientation cristalline. Nous étudierons également les effets de la polarisation électrique (amplitude, orientation) de la couche ferrolectrique sur les propriétés de photo-électrolyse.
Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires (dépôt de couches minces, caractérisations in situ) ainsi que la caractérisation électrochimique de photo-anodes. Le caractère multi-disciplinaire du sujet sera très enrichissant pour le (la) candidat(e). Les couches élaborées durant ce stage s’inscrivent dans le cadre de recherches à long terme dans le groupe et d’un projet ANR (photo-pot) qui vient d’être accepté. Ce sujet pourra être prolongé par une thèse.
Thin epitaxial films dedicated to water photolectrolysis will be prepared by atomic oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and characterized. We will study oxide heterojunction containing a polarized ferroelectric layer. We will study the influence of electrical polarization (intensity and orientation) on the photoanode efficiency.
Solar energy has the potential to satisfy the increasing global energy demand. Semiconductors hold great promise for high-efficiency solar water splitting (water photo electrolysis). Indeed, they may be used for solar energy harvesting and/or chemical energy storage. Since the first demonstration using TiO2 as a photoanode, a large number of metal oxides were studied for this application. However, all these simple oxides present some limiting factors (such as electron - hole recombination and position of the conduction band edge below the H+/H2 redox potential) which can explain a relatively low efficiency. Recently, we have shown in our group that the efficiency of solar water splitting can be strongly improved by using a ferroelectric layer (BaTiO3) as photoanode [1].
In the present internship, we propose to prepare and study oxide heterojunctions (Fe2O3 / BaTiO3 ) grown by Atomic Oxygen plasma assisted Molecular Beam Epitaxy. The introduction of the perovskite ferroelectric layer is expected to improve the photoanode efficiency of Fe2O3 thanks to a better charge transport. For all samples, we will determine the crystallographic structure by in situ RHEED and the electronic structure by in situ XPS. The photoanode efficiency as a function of the nature of heterojunction and of its crystallographic orientation. Moreover the influence of ferroelectric polarization vector (direction and strength) will be also measured.

[1] M. Rioult, S. Datta, D. Stanescu, S. Stanescu, R. Belkhou, F. Maccherozzi, H. Magnan, A. Barbier, Appl. Phys. Lett 107, 103901 (2015)

Mots clés/Keywords

Couches minces, épitaxie, caractérisation, photo-anode, photo-électrolyse, cellule solaire
epitaxy, thin films, photoelectrolysis, solar fuel cell

Compétences/Skills

MBE, spectroscopies, photolectrolyse
MBE, Spectroscopy, photoelectrolysis

 

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