Croissance et caractérisation de l’AlScN : un nouveau matériau prometteur pour les dispositifs piézoélectriques et ferroélectriques
Les semi-conducteurs III-nitrures — GaN, AlN et InN — ont révolutionné le marché de l’éclairage et pénètrent rapidement le secteur de l’électronique de puissance. Actuellement, de nouveaux composés nitrures sont explorés dans la recherche de nouvelles fonctionnalités. Dans ce contexte, le nitrure d’aluminium et de scandium (AlScN) s’est imposé comme un nouveau membre particulièrement prometteur de la famille des nitrures. L’incorporation de scandium dans l’AlN conduit à :
* Des constantes piézoélectriques accrues : ce qui rend l’AlScN très attractif pour la fabrication de générateurs piézoélectriques et de filtres SAW/BAW à haute fréquence.
* Une polarisation spontanée augmentée : cette polarisation renforcée peut être exploitée dans la conception de transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) présentant une densité de charge très élevée dans le canal.
* La ferroélectricité : la découverte récente (2019) de propriétés ferroélectriques ouvre la voie au développement de nouvelles mémoires non volatiles.
Au cours des cinq dernières années, l’AlScN est devenu un sujet majeur de recherche, présentant de nombreuses questions ouvertes et de passionnantes perspectives à explorer.
Cette thèse de doctorat portera sur l’étude de la croissance et des propriétés de l’AlScN et du GaScN synthétisés par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Le doctorant sera formé à l’utilisation d’un système MBE pour la synthèse des semi-conducteurs III-nitrures ainsi qu’à la caractérisation structurale des matériaux par microscopie à force atomique (AFM) et diffraction des rayons X (XRD). La variation des propriétés de polarisation du matériau sera étudiée par l’analyse de la photoluminescence de structures à puits quantiques. Enfin, le doctorant sera formé à l’utilisation de logiciels de simulation pour modéliser la structure électronique des échantillons, afin de faciliter l’interprétation des résultats optiques.
Développement de biocapteurs interférométriques photo-imprimés sur fibres optiques multicoeurs pour le diagnostic moléculaire
Les fibres optiques sont des dispositifs peu invasifs couramment utilisés en médecine pour l'imagerie tissulaire in vivo par endoscopie. Cependant, à l'heure actuelle, elles ne fournissent que des images et aucune information moléculaire sur les tissus observés. La thèse proposée s'inscrit dans un projet visant à conférer aux fibres optiques la capacité d'effectuer des reconnaissances moléculaires afin de développer des biocapteurs innovants capables d'effectuer une analyse moléculaire en temps réel, à distance, in situ et multiplexée. Un tel outil pourrait apporter des progrès importants dans le domaine médical, et plus particulièrement dans l'étude des pathologies cérébrales pour lesquelles la connaissance de l'environnement tumoral, difficilement accessible par des biopsies classiques, est primordiale.
L'approche proposée repose sur l'impression par polymérisation à 2-photons de structures interférométriques à l'extrémité de chacun des cœurs d'un assemblage multifibre. Le principe de détection repose sur les interférences se produisant dans ces structures et leur modification par l'adsorption de molécules biologiques. Chacune des fibres de l’assemblage agira comme un capteur individuel et la mesure de l'intensité de la lumière rétro-réfléchie à l'extrémité fonctionnalisée permettra de rendre compte des interactions biologiques se produisant sur cette surface. Grâce à la modélisation du phénomène d’interférence, nous avons déterminé des paramètres pour optimiser la forme et la sensibilité des structures interférométriques (PTC InSiBio 2024-2025). Ces résultats ont permis l'impression et la caractérisation de la sensibilité de structures interférométriques sur mono-fibres. Les objectifs de la thèse sont de poursuivre cette caractérisation optique sur de nouveaux échantillons et de développer des méthodes de fonctionnalisation photo-chimiques originales afin de greffer plusieurs sondes biologiques à la surface des assemblages de fibres. Cette multi-fonctionnalisation permettra de réaliser une détection multiplexée, essentielle pour envisager une application médicale future. Selon l'avancement de la thèse, les biocapteurs seront validés au travers de la détection de cibles biologiques dans des milieux de plus en plus complexes pouvant aller jusqu'à un modèle de tissu cérébral.
Modélisation d'une diode magnonique basée sur la non-réciprocité des ondes de spin dans les nanofils et les nanotubes
Ce projet de doctorat porte sur le phénomène émergent de non-réciprocité des ondes de spin dans les fils magnétiques cylindriques, de leurs propriétés fondamentales jusqu'à leur exploitation pour la réalisation de dispositifs à base de diodes magnoniques. Des expériences préliminaires menées dans notre laboratoire SPINTEC sur des fils cylindriques, avec une aimantation axiale dans le cœur et azimutale à la surface du fil, ont révélé un effet asymétrique géant (courbes de dispersion asymétriques avec des vitesses et des périodes différentes pour les ondes se propageant vers la gauche et vers la droite), créant même une bande interdite pour une direction de mouvement donnée, liée à la circulation de la magnétisation (vers la droite ou vers la gauche). Cette situation particulière n'a pas encore été décrite théoriquement ni modélisée, ce qui constitue un terrain inexploré et prometteur pour ce projet de doctorat. Pour modéliser la propagation des ondes de spin et dériver les courbes de dispersion pour un matériau donné, nous prévoyons d'utiliser divers outils numériques : notre logiciel micromagnétique 3D par éléments finis feeLLGood et le logiciel 2D open source TetraX dédié aux calculs de modes propres et spectres associés. Ce travail sera mené en étroite collaboration avec des expérimentateurs, dans le but à la fois d'expliquer les résultats expérimentaux et d'orienter les futures expériences et les axes de recherche.
Cartographie des potentiels de surface des oxydes métalliques activées catalytiquement utilisés comme des photoanodes
Lors de la photoélectrolyse d’eau, le transfert de charges à l'interface photoanode/électrolyte est déterminé par l'alignement des bandes d'énergie, à la fois côté électrode et côté électrolyte. Le potentiel de surface de l’électrode joue un rôle majeur sur la courbure finale des bandes et par conséquent sur la séparation des charges à l’interface. Aussi appelé potentiel de surface électrochimique, il varie en fonction de l'environnement (vide, air, eau, etc.). L'objectif de cette thèse est d'aborder la réaction d’oxydation de l’eau (OER) à l'interface photoanode/électrolyte en termes de bandes d'énergie et en particulier du point de vue du potentiel de surface électrochimique. Ainsi, au cours de cette thèse, le doctorant caractérisera les potentiels de surface d'une série de photoanodes (oxydes métallique semiconducteurs activées catalytiquement) en contact avec différents environnements (vide, air à humidité variable, eau) et les corrélera à l'activité photoélectrochimique (PEC). L'activité du doctorant s'articulera autour de quatre axes : i) synthèse de photoanodes par voie chimique ; ii) caractérisation de l'activité photoélectrochimique ; iii) caractérisation par microscopie à force atomique (AFM) corrélée à la microscopie à force de Kelvin (KPFM) ; iv) spectromicroscopies de rayons X synchrotron (STXM, XPEEM) et photoémission à pression ambiante (NAP-XPS). L'étudiant sera accueilli au laboratoire SPEC du CEA-Saclay pendant toute la durée de sa thèse. Ses travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration de longue date entre SPEC et SOLEIL.
Détection ultrarapide par qubits volants électroniques et de Majorana
Une voie émergente pour l’information quantique consiste à utiliser des charges électroniques volantes, comme les excitations électroniques, en tant que qubits.
Ces qubits volants présentent un avantage majeur : l’interaction de Coulomb intrinsèque, permettant des portes logiques à deux qubits et des applications en détection quantique.
Par rapport aux qubits photoniques, ils offrent donc un levier naturel pour dépasser certaines limitations fondamentales.
Leur principal inconvénient réside dans la décohérence rapide, mais cette difficulté peut être atténuée en opérant à des échelles ultrarapides, de l’ordre de la picoseconde.
Une stratégie supplémentaire consiste à exploiter la protection topologique apportée par les modes de Majorana, quasi-particules non-Abéliennes insensibles aux perturbations locales.
Jusqu’ici, la majorité des travaux se sont concentrés sur des modes 0D localisés (aux extrémités de nanofils supraconducteurs), sans démonstrations expérimentales concluantes.
Notre projet de thèse propose une approche nouvelle, fondée sur les modes de Majorana chiraux 1D, constituant une voie vers des qubits volants protégés topologiquement.
L’ambition est de bâtir une plateforme inédite de calcul et de détection quantiques.
Cette plateforme exploitera le graphène multicouche, où peuvent être combinés effet Hall quantique anormal, supraconductivité et modes de Majorana chiraux.