Les sujets de thèses

Les matériaux ferroélectriques, avec leur forte constante diélectrique et leur polarisation spontanée, font l'objet de recherches intenses en microélectronique. La polarisation est un paramètre essentiel pour ces matériaux alors que sa caractérisation reste majoritairement limitée à l’échelle macroscopique par des méthodes électriques classiques. Pour approfondir la compréhension de ces matériaux, en particulier en couches minces, et créer de nouveaux dispositifs, des mesures locales sont indispensables. Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle méthodologie pour cartographier directement la polarisation dans des dispositifs à l'échelle nanométrique. En combinant l'expertise des équipes du SPEC dans la croissance de matériaux en couches minces et du C2N dans la nanostructuration et les mesures électriques, nous allons élaborer et concevoir une géométrie particulière de nanostructures permettant d’utiliser en particulier l'holographie électronique operando (collaboration avec le CEMES-CNRS, ANR POLARYS) pour cartographier quantitativement le potentiel électrique local dans les nanodispositifs lors de l'application d'une tension.

Aujourd'hui, dans le contexte du changement climatique et de la recherche de technologies numériques frugales, il y a un besoin urgent de développer un portefeuille de matériaux thermoélectriques offrant une stabilité thermique, notamment pour la plage des températures entre 300 et 400 K, où une quantité de chaleur importante est gaspillée dans l'environnement. Par rapport aux matériaux massifs, les matériaux de faible dimension, tels que les nanofils et les films minces, offrent des possibilités intéressantes pour améliorer leurs propriétés thermoélectriques. Dans ce projet théorique, nous visons à décrire la dynamique couplée des électrons et des phonons dans des matériaux de faible dimension via une approche basée sur la théorie de la fonctionnelle de densité et sur les équations de transport de Boltzmann couplées pour les électrons et les phonons. L'objectif du projet sera de décrire les principaux effets de la dimensionnalité réduite et les rôles des l'interfaces et du substrat sur les propriétés de transport thermoélectrique dans les matériaux 1D et 2D. Le choix des matériaux est motivé par leur applicabilité potentielle dans le domaine de la récupération d'énergie de nouvelle génération, ainsi que par les collaborations en cours avec des expérimentateurs. Récemment, les chercheurs du GEEPS ont démontré que le Bi2O2Se en 2D permet d'atteindre une puissance thermoélectrique 6 fois plus importante et plus proche d'un fonctionnement à température ambiante que celle mesurée récemment par un autre équipe. Ce résultat préliminaire est très encourageant et soulève des questions fondamentales sur les raisons physiques qui ont conduit à un facteur de puissance aussi exceptionnel. C’est ce que notre projet théorique vise à élucider.

L’argument majeur en faveur du développement de l’électronique de spin est la faible puissance dissipée par ces dispositifs pour le traitement et stockage de l’information. Le but de la thèse est de déterminer et optimiser cette puissance. Nous focalisons l’étude sur la puissance dissipée par deux types de dispositifs. D’une part ceux permettant le retournement de l’aimantation d’une couche magnétique par un courant de spin transverse (effet de « Spin-Orbit Torque », ou SOT, sur des métaux), et d’autre part, les dispositifs utilisant des matériaux topologiques.

Dans ce contexte, la définition de la puissance utile est un problème ouvert. En effet, la thermodynamique de ce type de systèmes hors équilibre met en jeu des effets croisés entre les degrés de liberté des porteurs de charges électriques, ceux du spin de ces porteurs, ainsi que ceux de l’aimantation de la couche adjacente.

Nous avons développé une méthode variationnelle dans le cadre de la théorie de la thermodynamique hors équilibre permettant d’établir l’état stationnaire d’une barre de Hall et la puissance dissipée dans un circuit de charge. Un protocole expérimental adapté et des mesures préliminaires ont récemment validées la prédiction dans le cas de l’effet Hall anormal. Le projet vise à élargir cette étude au SOT et aux matériaux topologiques.

La communauté internationale est engagée dans l’élaboration de la politique de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES), en particulier de dioxyde de carbone (CO2), afin de réduire les risques associés au réchauffement climatique. Par conséquent, il est très important de trouver des processus à faible coût pour dissocier puis capturer le dioxyde de carbone (CO2), ainsi que de développer des capteurs à faible puissance et haute performance adaptés à la surveillance des réductions de GES. Une méthode courante et existante pour détecter la concentration de gaz est obtenue en utilisant des surfaces d’oxydes métalliques semi-conducteurs (MOS) comme SnO2, ZnO et TiO2. En outre, une voie pour réaliser la dissociation de CO2 est la décomposition catalytique assistée par plasma. Cependant, les défauts de surface, et en particulier les lacunes en oxygène et les charges qui y sont piégées, jouent un rôle important dans la (photo)réactivité du MOS. La façon dont les propriétés optiques des surfaces sont modifiées par de tels défauts n’est pas complètement comprise, ni l’effet supplémentaire de la présence du gaz. Dans certains modèles, l’importance du transfert de charge est également soulignée.

Dans ce travail de doctorat, des méthodes théoriques seront utilisées pour modéliser la surface avec des défauts et prédire les propriétés optiques. L’objectif est triple : Appliquer les cadres théoriques développés à LSI pour l’étude des défauts afin de prédire les états de charge de défaut en vrac; Étudier l’effet de la surface sur la stabilité du défaut; Étudier les propriétés optiques de masse et de surface, et découvrir les empreintes spectroscopiques de l’absorption moléculaire et de la dissociation près de la surface. Les matériaux et les gaz considérés sont des oxydes comme l’oxyde de titane, qui finissent par se déposer sur une couche d’or et du dioxyde de carbone. La méthode théorique sera la méthode de la théorie des perturbations fonctionnelles de la densité dépendante du temps (TDDFPT) développée à LSI en collaboration avec SISSA, Trieste (Italie).

Ref.: I. Timrov, N. Vast, R. Gebauer, S. Baroni, Computer Physics Communications 196, 460 (2015).

La transition numérique vers une économie plus attractive et plus soutenable s’appuie sur la recherche sur les technologies digitales du futur.

Grâce à sa non-volatilité, sa compatibilité CMOS et à son potentiel de mise à l’échelle et d’intégration 3D, les technologies émergentes de mémoires et de logique basées ferroélectricité dans le HfO2 constituent une révolution d’un point de vue applicatif. Par exemple, par rapport aux technologies Flash, résistive ou changement de phase, les mémoires ferroélectriques sont intrinsèquement de basse consommation d’énergie.

Le dispositif au cœur du projet est le FeFET-2 qui consiste en un condensateur ferroélectrique en série avec la grille d’un transistor CMOS. Ces dispositifs combinent d’excellentes métriques d’endurance, consommation d’énergie, rétention et la plasticité d’une réponse quasi-analogue.

Le travail de thèse utilisera les techniques de caractérisation avancée, notamment la spectroscopie et la microscopie en photoémission pour établir les liens entre les propriétés des matériaux et les performances électriques de FeCAPs.

Des expériences operando en fonction du nombre de cycles et de tensions électriques appliquées et duration des pulses permettront d’explorer les corrélations entre la cinétique de l’évolution des propriétés matérielles et la réponse électrique des dispositifs.
Le travail de thèse se déroulera en étroite collaboration avec NaMLab (Dresde) et CEA-LETI (Grenoble).

L’essor des applications à température ambiante - magnétométrie à l’échelle nanométrique, thermométrie, émission de photons uniques, mise en œuvre de qubits - du centre lacune de carbone-atome d’azote (NV) chargé négativement dans le diamant a suscité un intérêt renouvelé dans la recherche, avec des méthodes théoriques, d’autres défauts ponctuels (dans le diamant ou dans d’autres matériaux) ayant des propriétés importantes pour une application quantique, par exemple possédant une photoluminescence brillante et un long temps de cohérence de l’état fondamental de spin.

Cependant, le fait que la structure atomique locale de l’état fondamental du défaut ou des états excités soit difficilement accessible avec des techniques expérimentales directes empêche une compréhension immédiate de la stabilité thermodynamique des états de charge de défaut dans le matériau en volume, et de la propriété quantique attendue. Cela rend le contrôle à la demande de l’état de charge de défaut difficile, un problème encore plus complexe près de la surface, car la courbure des bandes électroniques induit une modification superficielle de l’état de charge ainsi que des états de surface de défauts propres à la surface.

Dans ce travail de doctorat, des méthodes théoriques seront utilisées pour prédire les états de charge de défaut et explorer l’effet de la proximité de la surface sur la stabilité thermodynamique et sur la structure de spin. L’objectif est triple : appliquer le cadre théorique développé au LSI et prédire les états de charge de défaut dans le matériau en volume; étudier les changements de l’état de charge apportés par la proximité de la surface; étendre le modèle de Hubbard utilisé pour calculer les états excités et tenir compte de l’interaction électron-réseau afin de calculer la ligne zéro-phonon également pour les états excités qui ne peuvent pas être prédits par la DFT seulement. Les matériaux considérés sont les carbures -diamant et carbure de silicium- et les borures- bore élémentaires ou composés riche en bore. La méthode théorique s’appuiera sur le modèle de Hubbard développé à LSI en collaboration avec IMPMC, et les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).

Les oxydes dopés N et/ou les oxynitrures constituent une classe de composés nouveaux et en plein essor présentant une large gamme de propriétés utilisables, en particulier pour les nouvelles technologies de production d'énergie décarbonnée ainsi que pour des capteurs multifonctionnels. Dans ce domaine de recherche, la recherche de nouveaux matériaux est particulièrement souhaitable en raison des propriétés peu satisfaisantes des matériaux actuels. L'insertion d'azote dans le réseau cristallin d'un oxyde semiconducteur permet en principe de moduler sa structure électronique et ses propriétés de transport pour obtenir de nouvelles fonctionnalités. La production de films minces monocristallins correspondants, est un défi important. Dans ce travail de thèse, des films d’oxynitrures monocristallins seront élaborés par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasma atomique. L’hétérostructure multiferroïque combinera deux couches enrichies en azote : une couche ferroélectrique de BaTiO3 dopée N ainsi qu'une ferrite fortement dopée ferrimagnétique dont les propriétés magnétiques pourront être modulées grâce au dopage N pour obtenir de nouveaux matériaux multiferroique artificiels plus satisfaisants pour les applications. Les structures résultantes seront étudiées quant à leurs caractéristiques ferroélectriques et magnétiques ainsi que leurs couplages magnétoélectriques en fonction du dopage N. Ces observations seront corrélées à une compréhension détaillée des structures cristallines et électroniques.

Le (la) candidate abordera l’ensemble des techniques d’ultra-vide, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, des mesures ferroélectriques et de magnétométrie, ainsi qu’un large panel de méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés.

Le développement scientifique et technologique de la gamme Terahertz (THz), un domaine du spectre électromagnétique situé à l’interface entre les micro-ondes et la photonique infrarouge, est plus que jamais d’actualité et l’objet d’intenses recherches récemment. Nous avons récemment développé des cavités TeraHertz fonctionnant à partir d’un mécanisme plasmonique basé sur les plasmons de surface d’un semiconducteur dopé. Nous avons démontré la propriété remarquable de ces résonateurs de pouvoir confiner les photons TeraHertz dans des volumes records de l’ordre de 10-7 fois plus petit que la limite de diffraction. Ce méchanisme plasmonique permet par ailleurs la fonctionnalisation et l’accordabilité des cavités grâce à des paramètres extérieurs comme le champ electrique, magnétique ou la température, entre autres. Le but de cette thèse sera de développer des cavités plasmoniques THz et d’étudier en particulier leur comportement nonlinéaire lorsque soumises à des impulsions THz intenses. On cherchera notamment à réaliser de la conversion de fréquences TeraHertz grace à la nonlinéarité des cavités plasmoniques étudiées.