Croissance de nanomatériaux d'oxydes ferroïques par épitaxie de van der waals pour des applications microélectroniques // growth of ferroic oxide nanomaterials by van der waals epitaxy for microelectronic applications.

Topic description

La croissance rapide des technologies mobiles et de l'Internet des objets (IoT) entraîne une demande croissante en sources d'énergie portables, fiables, durables et respectueuses de l'environnement. Dans ce contexte, l'exploitation des propriétés multifonctionnelles des matériaux ferroïques suscite un grand intérêt pour de nombreuses applications, notamment dans les systèmes électroniques autonomes. L'un des défis majeurs actuels consiste à intégrer directement des nanomatériaux ferroïques sur des supports flexibles et à faible coût, sans recourir à des procédés d'exfoliation complexes susceptibles d'altérer leurs propriétés intrinsèques.
Ce projet de thèse vise à développer des nanostructures flexibles à base d'oxydes ferroïques sans plomb (BiFeO₃, BaTiO₃, NaNbO₃, etc.) en exploitant le concept d'épitaxie de van der Waals (vdW). L'objectif est d'élaborer, par ablation laser pulsée (PLD), des films minces et des hétérostructures de haute qualité cristalline sur des substrats flexibles de mica ainsi que sur des substrats de silicium compatibles avec la technologie CMOS. En effet, le mica se distingue par sa surface atomiquement lisse, sa grande stabilité chimique et sa résistance aux hautes températures, ce qui favorise la croissance épitaxiale de films minces d'oxydes tout en préservant leurs propriétés fonctionnelles. Sur silicium, l'intégration des oxydes sera facilitée par l'insertion d'une couche bidimensionnelle d'oxyde de graphène réduit (rGO), jouant le rôle de couche intermédiaire afin de limiter les réactions chimiques à l'interface et de favoriser une croissance cristalline contrôlée. Dans ces architectures, le matériau fonctionnel sera relié au substrat par de faibles interactions de van der Waals, ce qui permet de réduire les contraintes mécaniques et les désaccords de paramètres de maille. Cette approche limite ainsi l'influence du substrat, souvent responsable d'une dégradation des propriétés piézoélectriques lorsque les matériaux sont déposés sur des supports rigides. Une caractérisation multi-échelle sera réalisée à l'aide de techniques avancées telles que la diffraction des rayons X à haute résolution (DRX), la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie électronique en transmission (TEM), la spectroscopie Raman, la microscopie à force piézoélectrique (PFM), ainsi que des mesures diélectriques et ferroélectriques. Ces analyses permettront d'établir des corrélations précises entre la structure cristalline, l'organisation des domaines ferroélectriques et les performances piézoélectriques des matériaux.
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The rapid growth of mobile technologies and the Internet of Things (IoT) is driving an increasing demand for portable, reliable, sustainable, and environmentally friendly energy sources. In this context, the exploitation of the multifunctional properties of ferroic materials has attracted significant interest for a wide range of applications, particularly in autonomous electronic systems. One of the major current challenges is the direct integration of ferroic nanomaterials onto flexible and low-cost substrates without relying on complex exfoliation processes that may alter their intrinsic properties. This PhD project aims to develop flexible nanostructures based on lead-free ferroelectric oxides (BiFeO₃, BaTiO₃, NaNbO₃, etc.) by exploiting the concept of van der Waals (vdW) epitaxy. The objective is to fabricate high-crystalline-quality thin films and heterostructures using pulsed laser deposition (PLD) on flexible mica substrates as well as on silicon substrates compatible with CMOS technology. Mica is particularly attractive due to its atomically smooth surface, high chemical stability, and excellent thermal resistance, which promote the epitaxial growth of oxide thin films while preserving their functional properties. On silicon substrates, the integration of oxides will be facilitated by inserting a two-dimensional reduced graphene oxide (rGO) layer acting as an intermediate buffer layer to limit interfacial chemical reactions and promote controlled crystalline growth. In these architectures, the functional material interacts with the substrate through weak van der Waals forces, thereby reducing mechanical constraints and lattice mismatch. This approach significantly limits the influence of the substrate, which is often responsible for the degradation of piezoelectric properties when materials are deposited on rigid supports. A multi-scale characterization will be carried out using advanced techniques such as high-resolution X-ray diffraction (HR-XRD), atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy, piezoresponse force microscopy (PFM), as well as dielectric and ferroelectric measurements. These analyses will enable the establishment of precise correlations between the crystalline structure, the organization of ferroelectric domains, and the piezoelectric performance of the materials.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral