Oxydes fonctionnels

Les oxydes fonctionnels présentent des propriétés variées (ferroélectricité, pyroélectricité, piézoélectricité, ferromagnétisme, multiferroicité, thermoélectricité, supraconductivité, coefficients électro-optiques ultra-élevés et fortes non-linéarités optiques, conducteurs optiques transparents, large bande interdite, …) prometteuses pour de nombreuses applications. Notre équipe étudie ces matériaux sous forme de couches minces déposées sur des substrats oxydes ou semi-conducteurs (Si, Ge, GaAs) par épitaxie par jet moléculaire (MBE), pulvérisation, dépôt sol-gel et ALD, pour adresser des applications principalement dans les domaines de la récupération d'énergie, de la photonique avancée, de la plasmonique, de la nanoélectronique et de la détection de gaz.

Thèmes de Recherches

  • Croissance et hétérostructures

 

MBE

La MBE, moins mature que l’ablation laser ou la pulvérisation pour la croissance des oxydes, offre une flexibilité inégalée pour contrôler la composition et la structure à l’échelle atomique (solutions solides complexes, hétérostructures, super-réseaux, dopage, ingénierie d’interface). Notre objectif est d’exploiter cette flexibilité d’une part pour développer de nouveaux nanomatériaux à base d’oxydes ayant des propriétés améliorées ou nouvelles (voir Applications principales), et d’autre part pour intégrer par épitaxie des oxydes fonctionnels sur des plates-formes semi-conductrices (Si, Ge, III-V ), l’exemple typique étant SrTiO3/Si (001) (ANR Lilit, ANR DIAMAWEL) [Saint-Girons CM 2016].

 

Pulvérisation, sol-gel & ALD

Nous développons également le dépôt de films d’oxydes fonctionnels sur des substrats d’oxydes et de silicium par des procédés de pulvérisation cathodique, de dépôt sol-gel et d’ALD. Un premier objectif est de réaliser le dépôt de couches d’oxydes fonctionnelles par des procédés cindustriels compatibles dans le cadre du Back-End-of-Line (BEOL) [Bouaziz ACS AEM 2019]. Le deuxième objectif est de démontrer une chaîne de valeur au sein de l’INL autour des oxydes fonctionnels: du matériau à l’appareil.

 

  • Applications principales

 

Récupération d’énergie:

Pour des applications à la récupération d’énergie thermique, nous étudions principalement les oxydes pyroélectriques et thermoélectriques. Nous avons ainsi étudié la conversion d’énergie pyroélectrique dans les couches PZT (projet régional, thèse R. Moalla) en collaboration avec l’équipe dispositifs électroniques de l’INL. Nous avons montré un fort gain de conversion d’énergie dans les couches épitaxiales par rapport à leurs homologues polycristallines [Moalla NE 2017], ainsi qu’une grande anisotropie du facteur de conversion [Moalla SR 2018], fortement impacté par l’inadéquation des coefficients de dilatation thermique avec les substrats [Moalla CrystEngCom 2016]. Par ailleurs, nous avons développé des couches épitaxiales thermoélectriques de SrTiO3 dopées au La de type n (projet européen H2020 TIPS, 2014-2018) [Apreutesei STAM 2017]. Nous avons récemment développé et étudié des couches épitaxiales thermoélectriques de LaCrO3 dopées au Sr de type p (bourse CSC, thèse D. Han, 2017-2020) [Han JAP 2019]. Nous développons également la fabrication d’un micro module thermoélectrique intégré à partir de ces oxydes (projet ANR MITO, 2018-2021).

 

Photonique / Plasmonique

Dans le domaine de la photonique, nous développons, en forte interaction avec l’équipe INL i-lum, des dispositifs accordables et reconfigurables exploitant les fortes non-linéarités caractéristiques des oxydes fonctionnels. Nous avons par exemple développé de nouveaux concepts de modulateurs optiques intégrés sur SOI exploitant le fort effet Pockels en BaTiO3 ferroélectrique (projet européen FP7 SITOGA 2013-2017). Nous développons également des approches originales pour l’ingénierie de la permittivité dans les métamatériaux à base de super-réseaux d’oxydes, structurés jusqu’au niveau de la monocouche. Nous avons par exemple démontré l’hyperbolicité dans le proche IR dans les super-réseaux SrTiO3 / (La, Sr) TiO3 [Bouras ACS Photonics 2019].

Le même concept sous-jacent d’oxydes semi-conducteurs dégénérés a été utilisé pour générer des plasmons dans le moyen IR. Ceux-ci ont été obtenus et accordés sur une large gamme spectrale dans des nanocristaux de ZnO dopés Ga ou Al et, pour la première fois, dans des nanofils (coll. ILM et GEMAC, ANR GaZON, 2015-18) [Sallet Cryst Growth & Design 2018].

 

Nanoélectronique

Concernant la nanoélectronique, nous avons développé des transistors à effet de champ ferroélectriques (FeFET) à base de semi-conducteur 2D, oxydes ou canal silicium. Dans le cadre du projet européen 3eFERRO, nous étudions également des films HfZrO2 ferroélectriques très minces fabriqués par pulvérisation et ALD, à utiliser dans un dispositif 1T-1C pour la réalisation de mémoires, ainsi que pour l’intégration dans des jonctions tunnel ferroélectriques pour réseaux neuromorphiques [Bouaziz ACS AEM 2019].

 

Capteurs de gaz

Le contrôle de la qualité de l’air présente un défi majeur compte tenu des impacts environnementaux liés aux activités industrielles et aux transports. Les transistors à effet de champ FDSOI combinés à des oxydes sensibles – SnO2 et couches minces de SnO2 dopé fabriqués par pulvérisation cathodique – compatibles avec Back-End-of-Line (BEOL) pourraient être utilisés comme transducteurs électrochimiques ultra-sensibles et autonomes.

 

Co-animateurs de la thématique: G. Saint-Girons, B. Vilquin & R. Bachelet

 

Membres : A. Apostoluk, R. Bachelet, C. Botella, G. Brémond, B. Canut, A. Danescu, G. Grenet,              A. Lamirand, B. Masenelli, J. Penuelas, P. Regreny, G. Saint-Girons, B. Vilquin

Thèses en cours :

  1. D’Esperonnat (2019-2022) : « Couches minces d’oxydes thermoélectriques »
  2. Han (2017-2020) : “Films minces thermoélectriques de type P à base de LaCrO3 épitaxial dopé au Lr”
  3. G. Segantini (2019-2022): “Réalisation de synapses artificielles ferroélectriques pour la mise en œuvre de réseaux neuromorphiques”

 

Thèses terminées (5 dernières années) :

  1. Zhang (2017-2020): “Fabrication, études structurales et spectroscopiques de nanoparticules semi-conductrices de ZnO à large bande interdite pour la réalisation de diodes électroluminescentes blanches”
  2. Bouras (2016-2019) : ” Ingénierie des propriétés diélectriques d’oxydes pérovskites par nanostructuration jusqu’à l’échelle de la monocouche”
  3. Bouaziz (2016-2020) : ” Intégration de matériaux ferroélectriques sur silicium pour réaliser un transistor ferroélectrique ”
  4. Wague (2014-2018) : ” Matériaux sans plomb micro-structurés pour la récupération d’énergie ”
  5. T. Hamza (2014-17) : « nanostructures ZnO dopées pour la plasmonique moyen infrarouge »
  6. Mazet (2012-2016) : “Hétérostructures à base de BaTiO3 épitaxié sur Si pour la réalisation de transistors MOS de faible consommation”
  7. Meunier (2013-2016) : ” Hétérostructures épitaxiées combinant semiconducteurs III-V et oxydes ferroélectriques pour le développement de fonctionnalités optiques nouvelles intégrées sur GaAs “
  8. Moalla (2013-2016) : ” Films épitaxiés d’oxydes pyroélectriques pour la récupération d’énergie thermique “
  9. Minvieille (2013-2016) : “Elaboration et caractérisations d’hétérostructures d’oxydes à commutation résistive pour la fabrication de dispositifs memristifs”

 

Ingénieur de recherches actuellement en poste:

  1. Moalla (2018-2021): “Microfabrication d’un module thermoélectrique à base d’oxydes”

 

Post-doc en cours :

  1. G. Yang (2020-2022) : “allaiges Ga2O3–Ti2O3 pour la realization de photodétecteurs accordables”

 

Anciens Post-docs (5 dernières années):

  1. Apreutesei (2015-2017): “Films minces nanostructures de LSTO fabriqués par MBE”
  2. Cueff (2015-2017) : “Modulateurs électro-optiques à base de BaTiO3 intégrés sur SOI”, Projet européen SITOGA

Projets en cours

– European project H2020 3eFERRO (« Energy Efficient Embedded Non-volatile Memory Logic based on Ferroelectric Hf(Zr)O2 »), 2018-2021

– ANR MITO, 2018-2021: « Premier micro module thermoélectrique à base d’oxydes »

-ANR LILIT, 2016-2020

– Projet “NOTE” de la MITI CNRS, AAP “nouveaux matériaux” 2020 : « nouveaux oxydes thermoélectriques de type p »

Laboratoire commun INL / RIBER, 2013-2022

– ICPEI Nano2022 ST Microelectronics 2019-2022

– Laboratoire commun INL / ST

– Marie Curie COFUND ECLAUSION project 2019-2024

– ANR VOLCONANO, 2019-2022 : « Contrôle par champ électrique de nanoaimant »

 

Projets terminés (5 dernières années):

– Projet européen TIPS, 2015-2018

– Projet européen SITOGA, 2014-2017

– ANR DIAMWAFEL, 2016-2020

– ANR GaZON, 2015-18

– Région ARC 6 (collaborations SYMME, STMicroelectronics), 2014-2017

– Nano 2017, 2016-2017

– Région ARC 4, 2014-2017

– Région ARC 6 (collaboration ESRF), 2013-2016

– Région ARC 4 (collaborations CEA-LETI et LGEF), 2013-2016

– Projet LABEX iMUST 2013 MOX,  2014-2016

Collaborations :

Internationales :

EPFL (Suisse), IBM Zürich (Suisse), ICMAB Barcelone (Espagne), Université d’Osaka (Japon), Tyndall Cork (Irlande), Université de Tokyo (Japon), UMI LN2 Sherbrooke (Canada), Université de Valencia (Espagne), KU Leuven (Belgique), DAS Photonics (Espagne), IHP (Allemagne), Université Jiatong Xi’an (Chine), NamLab (Allemagne), NIMP (Roumanie), Demokritos (Grèce).

Nationales :

CEA Iramis Saclay, CEA-LETI Grenoble, CEA LIST Saclay, EPFL, synchrotron ESRF, FEMTO ST Besançon, GEMaC Versailles, LSPM Villetaneuse, Inst. Néel Grenoble, IES Montpellier, , IEMN Lille, ILM Lyon, CETHIL Lyon, IMEC-LAHC Grenoble, IMN Nantes, IRCELYON Villeurbanne,), LGEF Lyon, LSPM, RIBER, Synchrotron SOLEIL, SPMS Ecole Centrale Paris Chatenay Malabry, STMicroelectronics, CEA Iramis Saclay, C2N Palaiseau, IM2NP Marseille.

INL CNRS