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Sujet de stage / Master 2 Internship

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Films minces multifonctionnels pour la transition énergétique et l’opto-spintronique à base de BaTiO3 dopé azote.

Spécialité : PHYSIQUE / Physique des matériaux

Contact : BARBIER Antoine,
e-Mail : antoine.barbier@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 39 23
Laboratoire : /

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-5 mois
Date limite de constitution de dossier : 30/04/2020

Résumé :
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 : un materiau ferroélectrique sensible au spectre solaire. On procédera par dopage de films de BaTiO3 dont les conditions de croissance sont déjà parfaitement maitrisées au laboratoire CEA/SPEC. On étudiera le potentiel d’application de ces films pour la photoelectrolyse de l’eau et/ou l’opto-spintronique au laboratoire et potentiellement au C2N et au synchrotron-SOLEIL.

Sujet détaillé :
La transition énergétique requiert le développement de nouveaux matériaux dédiés, en particulier, à la production d’énergie propre et/ou permettant des économies d’énergie dans les systèmes électroniques. Dans ce cadre, les oxynitrures constituent une classe de matériaux pertinents. Parmi ceux-ci, les composés ferroélectriques sont particulièrement bien adaptés pour réaliser des capteurs opto-spintronique et pour la production d’hydrogène par photoélectrolyse de l’eau. 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. On s’attend également à des nouvelles propriétés de transport induite par le dopage par l’azote. 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. 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. Nous étudierons également l’influence de la lumière sur les propriétés. Enfin, si le temps le permet nous déposerons une couche magnétique sur le film d’oxynitrure afin d’étudier l’influence du dopage azote sur les propriétés magnétiques. On pourra également envisager des mesures en diffraction des rayons X pour caractériser les matériaux élaborés sur la ligne DiffAbs au synchrotron SOLEIL et des mesures ferroélectriques après lithographie au C2N.

Contacts : BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr
Autres chercheurs impliqués : H. Magnan, S. Matzen (C2N), J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL) - Le stage repose sur une collaboration CEA, C2N, SOLEIL.

Techniques utilisées au cours du stage :
Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène et azote. 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), la caractérisation des films sur le banc de photoelectrolyse et éventuellement les mesures magnétiques (VSM), de la lithographie (au C2N) et la diffraction des rayons X.

Mots clés : Oxynitrures, épitaxie par jets moléculaires, ferroélectricité, synchrotron, lithographie

Lien vers le laboratoire
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