CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Capteurs à magnéto-résistance tunnel ultra-sensible pour l'imagerie médicale
Ultra-sensitive tunnel magneto-resistance sensors for medical imaging

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/02/2023

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PANNETIER-LECOEUR Myriam
+33 1 69 08 74 10

Résumé/Summary
Le but du stage est de mettre au point, fabriquer et tester des capteurs magnétique à très haute sensibilité co-intégrant un supraconducteur et un élément spintronique. L'application visée est l’imagerie par résonance magnétique à bas champ magnétique (10mT).
The goal of the internship is to develop, fabricate and test very high sensitivity magnetic sensors co-integrating a superconductor and a spintronic element. The targeted application is magnetic resonance imaging (MRI) at low magnetic field (10mT).
Sujet détaillé/Full description
Notre laboratoire a mis au point un dispositif appelé capteur mixte, associant une boucle de capture supraconductrice à un capteur à magnétorésistance géante (ou GMR) pour la mesure de signaux magnétiques extrêmement petits (quelques femtoteslas = 10^-15T), comme ceux produits par le coeur ou le cerveau. Nous avons démontré que ce type de dispositif pouvait détecter les signaux magnétiques dus à l’activité électrique cardiaque. Ce type de capteur peut être aussi très intéressant pour la mesure de signaux d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).

L’élément magnéto-résistif utilisé jusqu’à présent est une GMR métallique de type spin valve. Les récents progrès dans le domaine de l’électronique de spin ont permis de proposer des magnétorésistances tunnel (TMR) dont les performances sont augmentées, en particulier à haute fréquence. L’étude et la compréhension du bruit, en particulier à basse température, de ces structures, est un point central pour le développement ensuite de dispositifs ultra-sensibles.

Le but du stage est d’étudier les systèmes TMR à basse température grâce à des mesures de magnéto-transport et de bruit, puis de les intégrer à des dispositifs de type capteurs mixtes. Ces capteurs mixtes seront déployés pour l’IRM dans le cadre du projet ANR VLFMRI.
Our laboratory has developed a device called mixed sensor, combining a superconducting pick up loop with a giant magnetoresistance (or GMR) sensor for the measurement of extremely small magnetic signals (a few femtoteslas = 10^-15T), such as those produced by the heart or the brain. We have shown that this type of device can detect magnetic signals due to cardiac electrical activity. This type of sensor can also be very interesting for the measurement of Magnetic Resonance Imaging (MRI) signals.

The magneto-resistive element used so far is a metallic GMR of the spin valve type. Recent progress in the field of spin electronics has made it possible to propose tunnel magnetoresistors (TMR) whose performances are increased especially at high frequency. The study and understanding of the noise, especially at low temperature, of these structures is a key issue for the further development of ultra-sensitive devices.

The goal of the internship is to study low temperature TMR systems through magneto-transport and noise measurements, and then to integrate them into mixed sensor devices. These mixed sensors will be deployed for MRI in the framework of the ANR VLFMRI project.
Mots clés/Keywords
Capteur magnétique, magnétotransport, bruit magnétique, IRM
Magnetic sensor, magnetotransport, magnetic noise, MRI
Compétences/Skills
Microfabrication, mesures de magnétotransport et de bruit à basse température, imagerie magnétique
Microfabrication, magnetotransport and noise measurements at low temperature, magnetic imaging
Caractérisation des photoanodes à base d’hématite par microscopie électrochimique à balayage pour l’oxydation de l’eau
Characterization of hematite-based photoanodes during water oxidation by scanning electrochemical microscopy

Spécialité

Électrochimie

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

13/04/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STANESCU Dana
+33 1 69 08 75 48

Résumé/Summary
Le sujet de stage s’inscrit dans le cadre de la thématique: production d’hydrogène par photoélectrolyse de l’eau. Plus particulièrement, nous nous intéressons à l’optimisation des photoanodes à base d’oxyde de fer pour augmenter l’efficacité de la réaction de photoélectrolyse. L’objectif du stage est d’utiliser la microscopie électrochimique à balayage (SECM) pour mesurer et caractériser l’activité électrochimique vis-à-vis de la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) au niveau local des photoanodes à base d'hématite.
The topic of this internship is part of the theme: hydrogen production by solar water splitting. In particular, we are interested in optimizing iron oxide-based photoanodes to increase the efficiency of the photoelectrolysis reaction. The aim is to use scanning electrochemical microscopy (SECM) to measure and characterize electrochemical activity relative to the oxygen evolution reaction (OER) at the local level of nanostructured hematite-based photoanodes.
Sujet détaillé/Full description
Responsable SPEC : Dana Stanescu
Responsable ICMMO : Loïc Assaud (loic.assaud@universite-paris-saclay.fr)

Ce stage M2 est proposé dans le cadre d'un appel à projets proposé par l’Institut de l’Énergie Soutenable, les projets acceptés pour financement seront connus le 05.12.2022. Il est préférable d’envoyer vos candidatures avant le 10.11.2022.

L’objectif du stage est de mesurer et caractériser l’activité électrochimique vis-à-vis de la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) au niveau local des photoanodes nanostructurées à base d'hématite (Ti :α-Fe2O3) activées catalytiquement par des structures oxyhydroxydes (M-OOH où M = Fe, Co ou Ni) utilisant la microscopie électrochimique à balayage (SECM). Les résultats d’imagerie électrochimique seront corrélés avec les valeurs du photo-courant macroscopique obtenu par la photo-électrolyse de l’eau. Des mesures complémentaires par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) permettront de caractériser et de modéliser l’interface photo-anode / électrolyte.

Pendant son stage, l’étudiant réalisera la croissance des photoanodes par voie chimique en solution aqueuse au laboratoire SPEC. Ce type de croissance nous permettra d’obtenir une morphologie très particulière des photoanodes: tapis des nano-bâtonnets à base d’hématite perpendiculaires au substrat. Il utilisera le banc de mesure spécialement dédié pour faire des mesures photoélectrochimiques (photocourant et EIS) au laboratoire SPEC. Les mesures de microscopie électrochimique seront réalisées en utilisant le PF-SECM (Peak Force Scanning ElectroChemical Microscope) à l’ICMMO. Cette étude nous permettra de corréler les aspects locaux (morphologie des nano-bâtonnets, électrochimie locale) avec ceux macroscopiques (photocourant, caractérisation de l’interface par spectroscopie d’impédance : flat band, concentration des porteurs, états de surface, etc.). Des caractérisations physico-chimiques complémentaires (MEB, DRX, XPS) sont également envisagées.

Références :
1. Walter, M. G., Warren, E. L., McKone, J. R., Boettcher, S. W., Mi, Q., Santori, E. A. & Lewis, N. S. Chem. Rev. 110, 6446–6473 (2010).
2. Fujishima, A. & Honda, K. Nature 238, 37–38 (1972).
3. Van De Krol, R. & Gratzel, M. International Journal of Renewable Energy Research vol. 2 (Springer, 2012).
4. Vayssieres, L. Int. J. Nanotechnol. 1, 1–41 (2004).
5. Stanescu, D., Piriyev, M., Villard, V., Mocuta, C., Besson, A., Ihiawakrim, D., Ersen, O., Leroy, J., Chiuzbaian, S. G., Hitchcock, A. P. & Stanescu, S. J. Mater. Chem. A 8, 20513–20530 (2020).

Techniques utilisées: AFM, SECM, MEB, DRX, XPS, photoélectrochimie, croissance par voie chimique

Qualités et compétences requises du candidat: Étudiant M2, connaissances d’électrochimie, (photo-) catalyse, physique des semiconducteurs. Pour le traitement des données et la rédaction du rapport de stage : office, python.
The aim of this internship is to measure and characterize electrochemical activity relative to the oxygen evolution reaction (OER) at the local level of nanostructured photoanodes based on hematite (Ti:Fe2O3) catalytically activated by oxyhydroxide structures (M-OOH where M = Fe, Co or Ni) using the scanning electrochemical microscopy (SECM). The images obtained with the SECM will be correlated with the macroscopic photocurrent obtained during a photoelectrolysis experiment. Additional measurements will be realized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in order to characterize and model the photoanode/electrolyte interface.

During the internship, the student will carry out the aqueous chemical growth of photoanodes at the SPEC laboratory. This type of growth will allow us to obtain a very particular morphology of photoanodes, carpet-like morphology where the nanorods are perpendicular to the substrate. The student will use the solar water splitting dedicated setup at the SPEC laboratory to make photoelectrochemical measurements (photocurrent and EIS). Electrochemical microscopy measurements will be performed using the PF-SECM (Peak Force Scanning ElectroChemical Microscope) at ICMMO laboratory. This study will allow us to correlate the local aspects (nanorods morphology, local electrochemistry) with the macroscopic ones (photocurrent, interface characterization of the by EIS: flat band potential, carriers’ concentration, surface states, etc.). Complementary physico-chemical characterizations (MEB, DRX, XPS) are also envisaged.

References:
1. Walter, M. G., Warren, E. L., McKone, J. R., Boettcher, S. W., Mi, Q., Santori, E. A. & Lewis, N. S. Chem. Rev. 110, 6446–6473 (2010).
2. Fujishima, A. & Honda, K. Nature 238, 37–38 (1972).
3. Van De Krol, R. & Gratzel, M. International Journal of Renewable Energy Research vol. 2 (Springer, 2012).
4. Vayssieres, L. Int. J. Nanotechnol. 1, 1–41 (2004).
5. Stanescu, D., Piriyev, M., Villard, V., Mocuta, C., Besson, A., Ihiawakrim, D., Ersen, O., Leroy, J., Chiuzbaian, S. G., Hitchcock, A. P. & Stanescu, S. J. Mater. Chem. A 8, 20513–20530 (2020).

Techniques: AFM, SECM, MEB, DRX, XPS, EIS, (photo-) voltammetry, aqueous chemical growth

Qualities and skills required for the candidate: M2 student, knowledge of electrochemistry, (photo-) catalysis, physics of semiconductors. For data processing and redaction of the internship report: office, python.
Mots clés/Keywords
(photo-) catalyse, physique des semiconducteurs
(photo-) catalysis, physics of semiconductors
Compétences/Skills
AFM, SECM, MEB, DRX, XPS, photo-voltammetrie, croissance par voie chimique
AFM, SECM, MEB, DRX, XPS, EIS, (photo-) voltammetry, aqueous chemical growth
Logiciels
Python, office
Mesure de l'efficacité Faraday pour la quantification de la production d'hydrogène par la photoélectrolyse de l'eau
Faraday efficiency measurement for the quantification of hydrogen production by solar water splitting

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/04/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STANESCU Dana
+33 1 69 08 75 48

Résumé/Summary
Ce stage M2 est proposé dans le cadre d'un projet NanoSaclay visant à mesurer la quantité d’hydrogène produit par la photoélectrolyse de l'eau utilisant de photoanodes à base d'hématite et de vanadate de bismuth. L'efficacité de Faraday sera corrélée avec la composition chimique et la structure électronique des photoanodes déterminées par STXM et XPEEM.
This internship is proposed in the framework of a NanoSaclay project aiming to measure the hydrogen produced by solar water splitting using hematite and bismuth vanadate based photoanodes. Faraday efficiency will be correlated with the chemical composition and electronic structure of photoanodes as determined by STXM and XPEEM.
Sujet détaillé/Full description
L'hydrogène peut être produit par l’électrolyse de l'eau dans une cellule électrochimique, mais un apport d’énergie important est nécessaire pour dépasser le couple redox de l'eau (1,23 V). Une nouvelle idée inspirée par la photosynthèse, est la photoélectrolyse, où la lumière du soleil est utilisée pour réduire le potentiel nécessaire pour dissocier la molécule d’eau, en H2 et O2. La production d'hydrogène par photoélectrolyse est une idée très attractive car elle permet de stocker directement l'énergie solaire dans l’énergie chimique (liaisons chimiques) en utilisant une méthode propre.[1,2] Dans la plupart des cas, la cellule électrochimique utilisée pour la photoélectrolyse de d’eau est remplie d'un électrolyte aqueux et contient trois électrodes : un semi-conducteur de type n comme photoanode, une cathode métallique conventionnelle et une électrode de référence.
Dans le cadre du projet « H2-re.SWSquant », financé par le LABEX NanoSaclay, nous recherchons un stagiaire M2 qui aura plusieurs missions. Tout d'abord, elle/il réalisera la croissance des photoanodes à base d'hématite (Fe2O3) et de vanadate de bismuth (BiVO4), en utilisant des méthodes chimiques en milieux aqueux.[3–5] Deuxièmement, l’étudiant caractérisera le photocourant produit par ces photoanodes et quantifiera la quantité d’hydrogène produit lors de la réaction de photoélectrolyse. A partir de ces résultats, il évaluera l'efficacité Faraday.[6] Celle-ci sera en outre corrélée avec la composition chimique et la structure électronique des photoanodes déterminées par microscopie en transmission de rayons X (STXM) et par microscopie électronique à photoémission de rayons X (XPEEM) sur la ligne de lumière HERMES du synchrotron SOLEIL. Le stage se déroulera dans deux laboratoires : la croissance des photoanodes, les mesures de photocourant et d'hydrogène seront réalisées au CEA / IRAMIS / SPEC. Des expériences de microscopie (STXM, XPEEM, SEM) et de spectroscopie Raman seront réalisées au synchrotron SOLEIL. Le stage est financé par le LABEX NanoSaclay et le/la stagiaire sera rattaché administrativement au synchrotron SOLEIL.
Lien SOLEIL: https://www.synchrotron-soleil.fr/fr/emplois/stage-mesure-de-lefficacite-faraday-pour-quantifier-la-production-dhydrogene-par

1. Walter, M. G., Warren, E. L., McKone, J. R., Boettcher, S. W., Mi, Q., Santori, E. A. & Lewis, N. S. Chem. Rev. 110, 6446–6473 (2010).
2. Fujishima, A. & Honda, K. Nature 238, 37–38 (1972).
3. Stanescu, D., Piriyev, M., Villard, V., Mocuta, C., Besson, A., Ihiawakrim, D., Ersen, O., Leroy, J., Chiuzbaian, S. G., Hitchcock, A. P. & Stanescu, S. J. Mater. Chem. A 8, 20513–20530 (2020).
4. Packiaraj, R., Devendran, P., Asath Bahadur, S. & Nallamuthu, N. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 29, 13265–13276 (2018).
5. Diaz-Morales, O., Ferrus-Suspedra, D. & Koper, M. T. M. Chem. Sci. 7, 2639–2645 (2016).
6. Iandolo, B., Wickman, B., Seger, B., Chorkendorff, I., Zorić, I. & Hellman, A. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 1271–1275 (2014).
Hydrogen can be produced by water splitting in an electrolysis cell, but a significant energy input is necessary to overcome the water redox couple (1.23 V). A novel idea inspired by photosynthesis, is solar water splitting, where sunlight is used to reduce the voltage bias necessary to split H2O molecule in H2 and O2. Hydrogen production by solar water splitting is a very attractive idea because it allows to directly store solar energy in the H2 chemical bonds using a clean method.[1,2] In most cases, the electrochemical cell used for solar water splitting is filled with an aqueous electrolyte and contains three electrodes: an n-type semiconductor as the photoanode, a conventional metallic cathode and a reference electrode.
In the framework of “H2-re.SWSquant” project, founded by LABEX NanoSaclay, we seek an M2 intern who will have several missions. First, she/he will grow hematite (Fe2O3) and bismuth vanadate (BiVO4) based photoanodes, using chemical aqueous methods (hydrothermal growth and electrodeposition).[3–5] Second, the student will characterize the photocurrent produced by these photoanodes and quantify the hydrogen gas produced during the solar water splitting reaction. From these results, she/he will evaluate Faraday efficiency.[6] This will be further correlated with the chemical composition and electronic structure of photoanodes determined by ex situ Scanning Transmission X-ray Microscopy (STXM) and X-ray PhotoEmission Electron Microscopy (XPEEM) at the HERMES beamline from SOLEIL Synchrotron. The internship will take place at two laboratories: the photoanodes growth, photocurrent and hydrogen measurements will be realized at CEA / IRAMIS / SPEC. Microscopy (STXM, XPEEM, SEM) and Raman spectroscopy experiments will be realized at SOLEIL synchrotron. The internship is funded by LABEX NanoSaclay and the intern will be administratively attached to SOLEIL synchrotron.

Link SOLEIL: https://www.synchrotron-soleil.fr/fr/emplois/stage-mesure-de-lefficacite-faraday-pour-quantifier-la-production-dhydrogene-par

1. Walter, M. G., Warren, E. L., McKone, J. R., Boettcher, S. W., Mi, Q., Santori, E. A. & Lewis, N. S. Chem. Rev. 110, 6446–6473 (2010).
2. Fujishima, A. & Honda, K. Nature 238, 37–38 (1972).
3. Stanescu, D., Piriyev, M., Villard, V., Mocuta, C., Besson, A., Ihiawakrim, D., Ersen, O., Leroy, J., Chiuzbaian, S. G., Hitchcock, A. P. & Stanescu, S. J. Mater. Chem. A 8, 20513–20530 (2020).
4. Packiaraj, R., Devendran, P., Asath Bahadur, S. & Nallamuthu, N. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 29, 13265–13276 (2018).
5. Diaz-Morales, O., Ferrus-Suspedra, D. & Koper, M. T. M. Chem. Sci. 7, 2639–2645 (2016).
6. Iandolo, B., Wickman, B., Seger, B., Chorkendorff, I., Zorić, I. & Hellman, A. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 1271–1275 (2014).
Mots clés/Keywords
(photo-) electrochimie, physique des matériaux, spectroscopie des rayons X
(photo-) electrochemistry, materials physics, X-ray spectroscopy
Compétences/Skills
XPEEM, STXM, spectroscopie Raman, MEB, photoelectrolyse, croissance chimique des photoanodes
XPEEM, STXM, Raman spectroscopy, SEM, photoelectrolysis, chemical growth of photoanodes
Logiciels
Python, Office https://www.synchrotron-soleil.fr/fr/emplois/stage-mesure-de-lefficacite-faraday-pour-quantifier-la-production-dhydrogene-par
Mesure et réduction des champs de fuite de capteurs magnétiques magnétorésistifs
Measurement and reduction of stay fields emitted by magnetoresistive magnetic sensors

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/04/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary
Le but du stage est d’étudier les champs de fuite émis par des capteurs à magnétorésistance géante (GMR) en combinant des mesures de magnétométrie, de magnétotransport et de cartographie magnétique, et d’optimiser la structure des capteurs afin de les implémenter dans des microscopes magnétiques haute sensibilité.
The aim of the internship is to study the stray fields emitted by giant magnetoresistance (GMR) sensors by combining magnetometry, magnetotransport and magnetic mapping measurements, and to optimize the structure of the sensors in order to implement them in high-sensitivity magnetic microscopes.
Sujet détaillé/Full description
Un capteur à magnétorésistance géante est composé schématiquement de deux couches magnétiques séparées par un espaceur (M1/E/M2). L'une des couches (M1) est libre de suivre le champ magnétique à détecter pendant que l'aimantation de l'autre couche (M2) est fixe. L'effet de magnétorésistance géante ou tunnel induit une variation de la résistance en fonction de l'angle entre les aimantations des 2 couches permettant ainsi une détection du champ par la variation de résistance.

Le but du stage est d'étudier et de réduire les champs de fuite émis par les aimantations des deux couches magnétiques. En effet ces champs de fuite peuvent créer des perturbations sur le système à étudier, dans le cas de cartographie magnétique par exemple, et rendre les performances des GMR fortement dépendantes de leur taille.

Durant le stage plusieurs techniques seront utilisées afin de mesurer les champs de fuite des capteurs : mesures de magnétométrie, de magnétotransport et de cartographie magnétique. Les champs de fuite des capteurs pourront être réduits en travaillant sur la structure et l'empilement des couches magnétiques qui est dans la pratique plus complexe que celui présenté schématiquement (M1/E/M2). Les dépôts seront réalisés par pulvérisation cathodique, puis les structures seront fabriquées par lithographie UV afin de pouvoir les caractériser.
A giant magnetoresistance sensor is schematically composed of two magnetic layers separated by a spacer (M1/E/M2). One of the layers (M1) is free to follow the magnetic field to be detected while the magnetization of the other layer (M2) is fixed. The effect of giant magnetoresistance or tunneling induces a variation of the resistance according to the angle between the magnetizations of the 2 layers allowing a detection of the field by the variation of resistance.

The aim of the internship is to study and reduce the stray fields emitted by the magnetizations of the two magnetic layers. Indeed, these stray fields can create disturbances on the system to be studied, in the case of magnetic mapping for example, and make the performance of GMRs strongly dependent on their size.

During the internship, several techniques will be used to measure the stray fields of the sensors: magnetometry, magnetotransport and magnetic mapping measurements. Sensor stray fields can be reduced by working on the structure and stacking of the magnetic layers, which is in practice more complex than the one presented schematically (M1/E/M2). The depositions will be made by sputtering, then the structures will be fabricated by UV lithography in order to be able to characterize them.
Mots clés/Keywords
Instrumentation
Magnetoresistive sensor
Compétences/Skills
Pulvérisation cathodique, magnétotransport, magnétométrie VSM, cartographie magnétique (MFM)
Sputtering, magnetotransport, VSM magnetometry, magnetic mapping (MFM).
Microscopie magnétique locale par intégration de capteurs magnétorésistifs
Local magnetic microscopy with magnetoresitive sensor integration

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary
Le but du stage est d’étudier l’effet de l’intégration de capteurs magnétiques magnétorésistifs dans des bras de levier flexibles de type AFM sur leurs performances. Les capteurs, destinés à être intégrés à un microscope magnétique ultrasensible, seront microfabriqués en salle blanche puis caractérisés en termes de magnétotransport et de bruit.
The aim of the internship is to study the magnetoresistive magnetic sensor integration in flexible cantilever on their performances. The sensors, destinated to be integrated in a scanning microscope, will be microfabricated in clean room and characterized in terms of magnetotransport and noise.
Sujet détaillé/Full description
Dans le but de caractériser les propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers ou les nanoparticules, un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif est développé au Laboratoire de Nanomagnétisme et Oxydes. Ce microscope combine un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope) et un capteur magnétique intégré dans un bras de levier AFM. Les capteurs magnétiques utilisés sont des capteurs à magnétorésistance géantes, basées sur l’électronique de spin et pouvant détecter des champs magnétiques de l’ordre du nT/√Hz.
Le but du stage sera d’étudier les performances des capteurs en termes de magnétorésistance et de bruit lorsqu’ils sont intégrés dans les bras de levier flexibles. La réponse des capteurs devra être optimisée en fonction de l’application visée. Le stage aura donc un aspect microfabrication en salle blanche et un aspect mesures de transport et de bruit, qui sera réalisé dans la chambre blindée de la plateforme Ultra Bas Bruit.
Les sondes développées seront ensuite intégrées dans le microscope afin de réaliser des images magnétiques.
In order to characterize the magnetic properties of materials such as steels or nanoparticles, an ultrasensitive and quantitative magnetic microscope is developed at the Nanomagnetism and Oxides Laboratory. This microscope combines a scanning local probe microscope of the AFM (Atomic Force Microscope) type and a magnetic sensor integrated in an AFM lever arm. The magnetic sensors used are giant magnetoresistance sensors, based on spin electronics and able to detect magnetic fields in the nT/√Hz range.
The goal of the internship will be to study the performance of the sensors in terms of magnetoresistance and noise when integrated into flexible lever arms. The response of the sensors will have to be optimized according to the targeted application. The internship will have a microfabrication aspect in clean room and a transport and noise measurement aspect, which will be performed in the shielded chamber of the Ultra Low Noise platform.
The developed probes will then be integrated in the microscope in order to realize magnetic images.
Mots clés/Keywords
Capteur magnétique, microscopie sonde locale, magnétorésistance
Magnetic sensors, scanning probe microscopy, magnetoresistance
Compétences/Skills
Microscopie magnétique, micro fabrication, mesures magnéto-transport
Magnetic microscopy, microfabrication, magnetotransport measurements
Simulation et imagerie de nanostructures d'antiferromagnétiques chiraux et magnéto-électriques
Simulating and imaging nanostructured magneto-electric chiral antiferromagnets

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/03/2023

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VIRET Michel
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary
Ce stage comporte une première partie numérique avec l’exploitation d'un programme de simulation atomique antiferro-magnétique développé au laboratoire. La seconde partie expérimentale, consiste à imager des nanostructures de BiFeO3, magnéto-électrique à l'ambiante. La technique d'imagerie est basée sur la génération de seconde harmonique en champ proche.
The idea here is to run a home made magnetic atomistic simulation code and attempt in parallel to image nanostructures of BiFeO3, a room-temperature magneto-electric. The imaging is based on Second Harmonic Generation in near-field mode.
Sujet détaillé/Full description
Les antiferromagnétiques (AF) sont actuellement à l'honneur grâce à des avancées récentes démontrant l'effet efficace des courants de spin dans l'interaction avec le paramètre d'ordre AF [1,2]. Jusqu'à présent, en raison du manque d'aimantation nette, le contrôle des distributions AF a été plutôt difficile. Côté matériaux, les antiferromagnétiques représentent la majorité des matériaux magnétiques et certains d'entre eux présentent plusieurs phases ordonnées couplées ensemble. Ils sont communément appelés « multiferroïques ». Les matériaux multiferroïques [3] font l'objet d'un intense effort de recherche en raison de l'intérêt technologique important des matériaux multifonctionnels ainsi que de la physique fondamentale riche issue du couplage entre différents paramètres d'ordre. Parmi tous les multiferroïques, BiFeO3 (BFO) est un matériau de choix car ses deux températures d'ordre (ferroélectrique FE et AF) sont bien supérieures à la température ambiante. De plus, un grand couplage magnétoélectrique (ME) a ​​été démontré dans les monocristaux ainsi que dans les couches minces. Au-delà de la capacité de manipuler l'ordre AF à l'aide d'un champ électrique, l'interaction ME est l'ingrédient principal pour stabiliser les distributions magnétiques homochirales, faisant de BFO un hôte idéal pour les entités multiferroïques topologiques [4]. Cependant, un inconvénient des multiferroïques est que ces textures FE/AF peuvent être assez difficiles à sonder, en particulier avec une résolution spatiale requise inférieure à 100 nm. La génération de seconde harmonique, une approche optique non linéaire, s'est avérée être un moyen puissant et élégant d'imager des textures multiferroïques complexes et de démêler les différentes contributions en jeu [5]. Au CEA/SPEC, nous sommes expérimentés dans l'évaluation des distributions ferroélectriques et antiferromagnétiques avec une résolution submicronique [6].

Nous visons maintenant à étudier les nanostructures (quelques 100 nm) de ces matériaux. L'objet du stage proposé est alors double : 1) à l'aide d'un code de simulation micromagnétique maison adapté au BFO, l'étudiant simulera quelques configurations magnétiques de base en fonction des domaines ferroélectriques. 2) Ces structures (réalisées au CNRS/Thales) seront imagées au laboratoire par microscopie de génération de seconde harmonique en champ proche.
Durant ce stage, l'étudiant sera formé à l'optique laser, à la microscopie optique en champ proche et devra utiliser le code de simulation développé en interne. Nous recherchons un candidat qui aime la dualité entre la simulation et l'expérience, avec une certaine maîtrise du codage informatique de base. Idéalement, le stage se poursuivrait en doctorat car le sujet proposé s'inscrit dans un travail de longue haleine sur ces matériaux.

[1] T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley and J. Wunderlich Nature Nanotech. 11, 231 (2016) [2] P. Wadley and al. Science 351, 587 (2016) [3] N. Spaldin and M. Fiebig, Science, 309, 391 (2005) [4] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 19, 386 (2020) [5] M. Fiebig & al., Nature, 419, 818 (2002) [6] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 16, 803 (2017)
Antiferromagnets (AF) are currently in the limelight thanks to recent breakthroughs demonstrating the efficient effect of spin currents in interacting with the AF order parameter [1,2]. So far, due to the lack of net magnetization, controlling AF distributions has been rather challenging. On the materials side, antiferromagnets represent the majority of magnetic materials and some of them show several simultaneous coupled ordered phases. They are commonly called ‘multiferroics’. Multiferroic materials [3] are the focus of an intense research effort due to the significant technological interest of multifunctional materials as well as the rich fundamental physics stemming from the coupling of various order parameters. Among all multiferroics, BiFeO3 (BFO) is a material of choice because its two ordering temperatures (ferroelectric FE and AF) are well above room temperature. In addition, a large magnetoelectric (ME) coupling has been demonstrated in single crystals as well as in thin films. Beyond the ability to manipulate the AF order using an electric field, the ME interaction is the main ingredient to stabilize homochiral magnetic distributions, promoting BFO as an ideal host for topological multiferroic entities [4]. However, one downside of multiferroics is that these FE/AF textures can be rather challenging to assess, in particular with a required spatial resolution below 100 nm. Second harmonic generation, a non-linear optical approach, has proven to be a powerful and elegant way to image complex multiferroic textures and to untangle the different contributions at play [5]. In CEA/SPEC, we are experienced in assessing ferroelectric and antiferromagnetic distributions with sub-micron resolution [6].

We are now aiming at studying nanostructures (near 100 nm) of these materials. The object of the proposed internship is then twofold: 1) using a home-made micromagnetic simulation code adapted to BFO, the student will simulate some basic magnetic configurations depending on ferroelectric domains. 2) These structures (made in CNRS/Thales) will be imaged in the laboratory using near-field second harmonic generation microscopy.

During this internship, the student will be trained in laser optics, near-field optical microscopy and will have to use the simulation code developed internally. We are looking for a candidate who likes the duality between simulation and experiments, with a certain degree of proficiency in basic computer coding. Ideally, the internship would continue in a PhD as the proposed subject is part of a long-term effort on these materials.

[1] T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley and J. Wunderlich Nature Nanotech. 11, 231 (2016) [2] P. Wadley and al. Science 351, 587 (2016) [3] N. Spaldin and M. Fiebig, Science, 309, 391 (2005) [4] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 19, 386 (2020) [5] M. Fiebig & al., Nature, 419, 818 (2002) [6] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 16, 803 (2017)
Compétences/Skills
Code python, SNOM (scanning near-filed optical microscope)
Python code, SNOM (scanning near-filed optical microscope)
Logiciels
Python

 

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