Les propriétés physiques des briques de base de l’électronique conventionnelle et de l’électronique de spins dépendent de la nature et de la structure atomique des nanomatériaux qui les constituent. Ces propriétés sont ajustées en vue d’applications dans des composants MOS, photoniques, magnoniques, mémoires ou capteurs. Nous étudions le lien entre structure atomique et propriétés électroniques, optiques et magnétiques de ces assemblages de nanomatériaux, pour comprendre les processus physiques gouvernant ces propriétés. Le groupe repose sur des compétences en élaboration, caractérisation structurale et chimique jusqu’à l’échelle nanométrique, micro et nanomagnétisme, dynamique de spins, modélisation à l’échelle atomique des propriétés.
La thématique « Matériaux pour l’électronique et l’opto-électronique » a pour objectif d’observer, quantifier, comprendre et modéliser de nouveaux procédés, de nouvelles structures et de nouveaux matériaux utilisés pour fabriquer les briques de base de la microélectronique ultime. Cette thématique est centrée sur des problématiques de science des matériaux. Entretenant depuis longtemps des collaborations avec les acteurs majeurs du domaine (centres de recherche appliquée, fondeurs et équipementiers), nous coordonnons ou participons à des aventures technologiques, soutenus par des contrats nationaux (ANR), européens et surtout industriels.
Contacts : nikolay.cherkashin@cemes.fr, lionel.calmels@cemes.fr, remi.arras@cemes.fr
Les alliages à base de GeSbTe (GST) sont des matériaux à changement de phase, c’est-à-dire possédant des propriétés physiques extrêmement différentes selon que leur état est amorphe ou cristallin. Dans le DVDs et disques Blu-ray, l’information binaire est stockée grâce au fort contraste de réflectivité optique que ces deux phases présentent.
Dans les mémoires électroniques à changement de phase (e-PCM), l’information est contenue dans la différence prononcée de conductivité électrique entre les phases cristalline et amorphe de ces alliages. Ces états sont alors commutés localement et de manière réversible entre phases cristalline et amorphe en utilisant des impulsions thermiques générées à partir d’impulsions électriques. Un chauffage au-dessus de la température de fusion suivi d’une trempe rapide permet la formation d’une région amorphe de forte résistivité alors qu’un chauffage plus limité mais pendant plus longtemps permet la recristallisation de cette même région.
Des travaux récents, dont les nôtres, ont démontré qu’au-delà des mémoires numériques (2 bits), ces alliages peuvent également être utilisés pour fabriquer des mémoires multi-niveaux (plusieurs bits) ainsi que des memristors, capables de reproduire l’activité synaptique, et ainsi proposer des dispositifs pour l’intelligence artificielle.
Malgré leur énorme potentiel, le développement et l’industrialisation des e-PCM nécessitent une compréhension approfondie des phénomènes physiques impliqués dans les mécanismes de commutation et de stockage, et ce dans le cadre de dimensions extrêmement réduites. À l’heure actuelle, la plupart des fabricants de circuits intégrés explorent le potentiel de ces matériaux, en collaboration avec des universitaires, et ce projet ne fait pas exception.
Un schéma simplifié de l’architecture d’une cellule e-PCM ainsi qu’une image MET sont présentés ci-dessous. Il comprend un filament chauffant (TiSiN), le matériau à changement de phase (GST) et l’électrode supérieure (TiN). L’image en MET montre le dôme amorphe caractéristiques de la cellule dans l’état RESET (0). Les dimensions illustrent la nécessité de mener des études à l’échelle nanométrique en utilisant des techniques de microscopie avancée.
A gauche, schéma simplifié de la structure « champignon » des cellules PCM. A droite image en MET d’une cellule réelle dans l’état RESET. On note le dôme amorphe au-dessus du filament chauffant.
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La manipulation sélective de la structure électronique de nouveaux matériaux 2D via leur déformation ouvre de nouvelles opportunités en nanoélectronique, en particulier dans des transistors à haute fréquence (HF). Pour tirer parti de la grande mobilité que les électrons ont dans le graphène, il est nécessaire de créer une bande interdite ; ceci pourrait être réalisé en appliquant une contrainte gigantesque perpendiculairement au plan de graphène, grâce à une approche « bottom-up » basée sur la croissance de cloques sous le graphène.
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Nous poursuivons des études pour identifier les mécanismes et les effets induits lors de l’implantation ionique réalisée avec le procédé Smart-CutTM. Ces études sont menées en collaboration avec l’entreprise SOITEC.
Un exemple parlant d’application de cette approche concerne l’implantation ionique d’H+ et d’He+ dans le Si. Quand suivie d’un collage moléculaire, elle peut être utilisée pour fracturer et transférer des couches minces de Si d’un substrat donneur à un substrat hôte, fournissant la méthode la plus efficace (la technologie Smart-CutTM) pour la fabrication de substrats SOI (silicium-sur-isolant), domaine dans lequel la France, avec la société Soitec, est leader mondial. La fracture du Si résulte de la croissance de « platelets », des cavités plates remplies par d’hydrogène moléculaire, et de leurs interactions élastiques qui conduisent à la formation et la croissance de nano et microfissures ou cloques pressurisées (Fig. 2.1).
Figure 2.1 Défauts, précipitation, maturation, coalescence, transformation, fracture après l’implantation d’H/He dans le Si : étude multi-échelle.
En effet, tous ces systèmes (matrice/précipités) proviennent de la précipitation, en cours de recuit thermique, de fortes sursaturations en défauts ponctuels (impuretés chimiques, interstitiels et lacunes) initialement introduites dans la matrice par implantation ionique. Ces défauts changeaient le volume de la maille de la matrice hôte et devaient donc faire apparaître une contrainte biaxiale dans le plan de la matrice [1] (Fig. 2.2).
Figure 2.2 (a) Image MET en section transversale ; Déformation (b), (c) hors-du-plan εzz ; (d), (e) dans le plan εxx obtenues dans Si implanté avec l’H par (b), (d) holographie en champ sombre, (c), (e) FEM en utilisant le modèle des défauts sub- nanométriques (f). L’image à droite montre la réaction élastique du matériau à la présence des complexes et la contrainte σxx.
En conséquence, cette contrainte impacte fortement le type (structure, familles, variants), la vitesse de croissance et les éventuelles transformations des complexes [2] (Fig. 2.3), des défauts étendus et des précipités qui se forment pendant le recuit thermique de ces matrices sursaturées.
Figure 2.3 Profils des différents complexes (a) et de la contribution des différents complexes à la déformation macroscopique (b), (c) déduites pour deux doses d’H implanté.
Ces caractéristiques, mesurables expérimentalement, reflétant directement l’énergie de formation des précipités, notre idée fut de générer et utiliser des champs anisotropes afin d’affecter ces populations et d’ainsi accéder à toutes les composantes de l’énergie de Gibbs de précipités 2D. Cette approche nous a permis de remonter aux paramètres fondamentaux de la précipitation, enthalpies de formation et énergies de liaisons des espèces, énergies élastiques, surfaciques et volumiques mises en jeu, diffusivités des espèces, et finalement de simuler le phénomène [3].
[1] N. Cherkashin, S. Reboh, A. Lubk, M. J. Hÿtch, A. Claverie, “Strain in Hydrogen-Implanted Si Investigated Using Dark-Field Electron Holography”, Applied Physics Express 6, 091301 (2013).
[2] N. Cherkashin, F.-X. Darras, P. Pochet, S. Reboh, N. Ratel-Ramond, A. Claverie, “Modelling of point defect complex formation and its application to H+ ion implanted silicon”, Acta Materialia 99 (15), 187-195 (2015).
[3] N. Cherkashin, F. X. Darras, A. Claverie, “Determination of the Free Gibbs Energy of Plate-Like Precipitates of Hydrogen Molecules and Silicon Vacancies Formed after H+ Ion Implantation into Silicon and Annealing”, Solid State Phenomena 242, 190-195 (2015).
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Nous étudions les propriétés de nouveaux matériaux ferroélectriques compatibles avec les technologies CMOS. Nous calculons par exemple la formation de défauts ponctuels au voisinage de parois de domaines ferroélectriques dans les nitrures ScxAl1-xN. Ces matériaux seront par la suite utilisés pour réaliser des interfaces intéressantes pour des applications spintronique (voir Matériaux pour la spinorbitronique et l’orbitronique) [Pezo 2024].
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De façon générale, l’épitaxie des héterostructures impose une accommodation des matériaux de mailles cristallines différentes. Le substrat étant volumique et rigide vis à vis de la couche déposée, la maille de la couche déposée se déforme et génère une contrainte biaxiale dans le plan du substrat. En conséquence, cette couche emmagasine de l’énergie élastique de façon anisotrope, ce qui impacte fortement l’évolution du système en cours de croissance ou lorsque l’on fait précipiter une seconde phase en son sein. Un exemple très étudié par la communauté scientifique concerne la croissance de couches pseudomorphes sur un substrat ou relaxées plastiquement par la formation des dislocations. Un autre exemple concerne la transformation d’une fine couche pseudomorphe (2D) en Îlots séparés (3D) sous l’effet de la relaxation de l’énergie élastique accumulée dans la couche 2D. Nous nous sommes donnés comme objectif de développer des méthodes expérimentales et théoriques permettant de décrire les phénomènes de relaxations, élastique et plastique, sous contrainte, dans des matériaux III-V. Nous avons ainsi développé un modèle 3D analytique relativement simple permettant de déduire d’images de déformation obtenues par MET (GPA sur HREM) la stoechiométrie locale d’ilots d’InGaAs dans une matrice de GaAs et ainsi de comprendre, simuler et contrôler les propriétés optiques de lasers utilisant ces boîtes quantiques (Fig. 2.4) [1, 2].
Figure 2.4 Déformation hors plan (HR-DFEH), déformation élastique (FEM), potentiels de localisation et fonctions d’onde des trous (calcul) dans une boîte quantique d’InGaAs/GaAs.
Comme autre exemple, nous avons développé une méthode de croissance d’îlots dans le système InGaN/GaN permettant de contrôler et optimiser les propriétés électro-optiques des diodes électroluminescentes [3].
[1] 1. N. Cherkashin, S. Reboh, M. J. Hÿtch, A. Claverie, V. V. Preobrazhenskii, M. A. Putyato, B. R. Semyagin, V. V. Chaldyshev, “Determination of stress, strain, and elemental distribution within In(Ga)As quantum dots embedded in GaAs using advanced transmission electron microscopy”, Applied Physics Letters , 102:173115 (2013).
[2] A. N. Kosarev, V. V. Chaldyshev, and N. Cherkashin, Experimentally-Verified Modeling of InGaAs Quantum Dots, Nanomaterials, MDPI, 12 (12), 1967 (2022).
[3] A. F. Tsatsulnikov , W. V. Lundin , A. V. Sakharov , A. E. Nikolaev , E. E. Zavarin , S. O. Usov , M. A. Yagovkina , M. J. Hÿtch , M. Korytov, and N. Cherkashin, “ Formation of Three-Dimensional Islands in the Active Region of InGaN Based Light Emitting Diodes Using a Growth Interruption Approach”, Science of Advanced Materials 7(8):1629-1635 (2015).
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Les alliages d’Heusler du type X2YZ sont particulièrement intéressants pour la réalisation de composants radiofréquences (> 1 GHz) grâce à leur faible coefficient d’amortissement et leur valeur d’aimantation supérieure à 1T. De plus, ces matériaux sont potentiellement demi métallique avec une polarisation en spin de l’ordre de 100%, importante pour concevoir des capteurs à magnétorésistance géante ou tunnel. Notre équipe a longtemps étudié l’influence des différents types de désordre cristallin sur les valeurs de ses paramètres magnétiques via des mesures de résonance ferromagnétique large bande (30 GHz). Une de nos activités actuelles consiste à tirer parti de ces propriétés afin de réaliser des composants radiofréquences reconfigurables. Par exemple, le spectre d’absorption d’un cristal magnonique à base d’antidots carrés peut être fortement modifié dans l’état rémanent grâce à l’anisotropie cubique du matériau [1]. En effet, sous l’effet d’un faible pulse de champ ultra bref (qq mT, 1 ns), il est possible d’obtenir des états rémanents qui peuvent se coupler ou non avec un champ radiofréquence (Fig 1.1b,c). Nos futurs développements dans cette thématique consistent à intégrer ces cristaux magnoniques dans des guides d’ondes de spins afin de réaliser des fonctions de filtres en fréquence fonctionnant à champ nul. Pour cela, nous étudions notamment l’impact des méthodes de nano fabrication (FIB, lithographies optique et électronique, gravure par faisceaux d’ions Ar+..) [2] sur le nombre de modes dynamiques accessibles dans le système (Fig 1.2).
Figure 1.1 a) Image MEB d’un cristal magnonique composé d’un réseau d’antidots carrés de 300 nm de côté et 900 nm d’espacement. Le cristal est fabriqué par lithographie électronique suivie d’une gravure par faisceau d’ions Ar+ à 3 KeV. b) Simulations micromagnétiques des états rémanents A1 et A4 correspondants à deux directions du pulse de champ magnétique de saturation. c) Spectres d’absorption RF mesurés dans le cristal pour les configurations A1 et A4 et simulations micromagnétiques des fréquences des modes dynamiques (bleu) dans la configuration A4.
Figure 1.2 : Évolution des fréquences d’absorption en fonction du champ magnétique extérieur dans un cristal magnonique composé d’un réseau d’antidot carrés de 100 nm de côté, séparés par 300 nm. Le cristal est fabriqué par gravure aux ions Ga+ à 30 KeV dans un FIB. A droite, exemple de profils spatiaux des modes dynamiques obtenus par simulations micromagnétiques (tiré de [2]).
[1] Cubic Anisotropy for a Reconfigurable Magnonic Crystal Based on Co2MnSi Heusler Alloy, S. Mantion and N. Biziere, Phys. Rev. Applied 17, 044054, 2022.
[2] Influence of Ga+ milling on the spin waves modes in a Co2MnSi Heusler magnonic crystal, S. Mantion and N. Biziere, J. Appl. Phys. 131, 113905, 2022.
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Pour l’étude de nanocristaux enfouis dans des matrices amorphes et de couches épitaxiales de structures cristallines très différentes, nous avons cherché une solution pour pouvoir mesurer la déformation à partir d’une image haute résolution (HR-TEM ou MET à balayage=HR-STEM) en l’absence de référence sur la même image et/ou la présence de distorsions aléatoires. C’est une problématique à laquelle nous étions confrontés, et qui est une contrainte toujours gênante inhérente à toutes les autres méthodes. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé et développé une nouvelle méthode appelée “Absolute strain” (AbStrain) de traitement d’images HR-(S)TEM permettant la mesure des valeurs absolues des distances et des angles interplanaires dans des structures monocristallines sans avoir besoin d’utiliser un réseau de référence présent sur la même image. Pour ce faire, nous avons développé une théorie de « correction absolue » (par opposition à la correction relative) des distorsions instrumentales affectant les images mesurées expérimentalement et écrit un script permettant d’appliquer cette théorie afin d’analyser des structures nanométriques pour lesquelles un réseau de référence ne pouvait justement pas être imagé. Cette approche peut être appliquée non seulement dans l’espace réciproque [1, 2]] (Fig. 6.1) (où opère la technique GPA) mais aussi dans l’espace réel (où opère la technique dite « peak findings »).
Figure 6.1 AbStrain : (a) Image HR-TEM d’une nanoinclusion de SbxAs1-x (structure hexagonale) enfuis dans GaAs (structure zinc-blend) ; (b)-(d) les composantes nulles du tenseur de déformation obtenues par AbStrain par rapport d’un réseau hcp ideal de As0.1Sb0.9.
[1] N. A. Bert, V. V. Chaldyshev, N. A. Cherkashin, V. N. Nevedomskiy, V. V. Preobrazhenskii, M. A. Putyato, B. R. Semyagin, V. I. Ushanov, M. A. Yagovkina, “Metallic AsSb nanoinclusions strongly enriched by Sb in AlGaAsSb metamaterial”, J. of Appl. Phys. 125, 145106 (2019).
[2] M. A. Luong, N. Cherkashin, B. Pécassou, Ch. Sabbione, F. Mazen, A. Claverie, Effect of Nitrogen Doping on the Crystallization Kinetics of Ge2Sb2Te5, Nanomaterials, MDPI, 11 (7), 1729 (2021).
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Nous avons cherché à développer une méthode permettant de quantifier la déformation à l’échelle micrométrique avec une résolution spatiale nanométrique et une précision ~10-4 comparable aux rayons-X dans des hétérostructures épitaxiales composées de plusieurs multicouches soit des zones implantées par d’ions très profondément. Pour cela, nous avons inventé une technique appelée « Moiré par le design d’échantillons » (MoSD). Cette méthode permet la mesure de déformations dans des structures monocristallines, en coupe transversale et en vue plane, via la formation de franges de moiré « contrôlées » tout en utilisant des microscopes conventionnels tout à fait banaux. L’idée consiste à fabriquer un échantillon sous la forme d’un empilement contenant la structure à mesurer et un cristal connu de référence. Des images révèlent alors des franges de moiré dont on peut extraire les champs de déformation dans la structure étudiée. L’ajustement de l’angle de rotation entre les deux lames permet d’ajuster la période de ces franges et ainsi d’obtenir des cartographies de champs de déformation avec une résolution nanométriques [1, 2] (Fig. 6.2). Ayant développé un algorithme de traitement d’images de moiré, MoSD démontre la possibilité de cartographier des champs de déformation bidimensionnels avec une résolution spatiale nanométrique (≥ 2 nm), une précision ultime de 1×10-4et un champ de vue vingt fois plus grand qu’offert par GPA ; cette technique peut être mise en œuvre en utilisant un microscope électronique à transmission conventionnel de coût modeste.
Figure 6.2 MoSD : Déformation dans le plan exx et hors-du-plan ezz mesurée par MoSD et calculée par FEM dans : (a) des multicouches de Si1-xGex [110] : image conventionnelle, moiré, et les profils de exx et ezz; (b) des Îlots 3D d’In0.4Ga0.6P couplés mécaniquement formés sur le substrat (112)GaAs ; (c) Îlots 3D de SiGe couplés mécaniquement formés sur le substrat (001)Si .
[1] N. Cherkashin, T. Denneulin, M. J. Hÿtch, “Electron microscopy by specimen design: application to strain measurements”, Scientific Reports 7, 12394 (2017).
[2] N. N. Ledentsov, V. A. Shchukin, Yu. M. Shernyakov, M. M. Kulagina, A. S. Payusov, N. Yu. Gordeev, M. V. Maximov, A. E. Zhukov, T. Denneulin, and N. Cherkashin, “Room-temperature yellow-orange (In,Ga,Al)P–GaP laser diodes grown on (n11) GaAs substrates,” Opt. Express 26 (11), 13985-13994 (2018).
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Alors que les premiers progrès de la spintronique reposaient essentiellement sur la modélisation phénoménologique (dérive-diffusion et équations semi-classiques de transport de Boltzmann), des méthodologies beaucoup plus avancées de la théorie quantique ont permis de calculer les propriétés magnétiques et celles de transport à partir de structures de bande réalistes obtenues par des méthodes ab initio basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Cependant, en raison du coût de calcul très élevé, il est très difficile modéliser au niveau ab initio les skyrmions magnétiques caractérisés par des textures de spin non colinéaires de plusieurs nanomètres de large, induites par le couplage spin-orbite et résultant de la compétition entre différentes interactions magnétiques. Pour cela, nous développerons une plateforme de transport spin-orbite à grande-échelles ab initio qui nous permettra de modéliser le transport quantique réaliste à travers des skyrmions.
Le projet EHIS consiste à utiliser, pour la première fois, l’holographie électronique comme nouvel outil expérimental d’imagerie de la dynamique de spins dans une nanostructure individuelle. Le principe repose sur la modification des images de phase magnétique due aux composantes quasi-statiques de l’aimantation en précession. Les intérêts majeurs de cette méthode sont de bénéficier de la résolution spatiale de la microscopie électronique (de l’ordre du nanomètre) et de permettre un lien direct entre la configuration magnétique rémanente et l’amplitude locale de précession dynamique. Ainsi, ce projet offrira une alternative aux techniques actuelles d’imagerie de la dynamique de spins dont la résolution spatiale peut être limitée pour l’étude de systèmes sub 100 nm. Ce nouvel outil de caractérisation permettra l’étude de systèmes magnoniques et spintroniques, modèles et avancés, en relation avec le développement de dispositifs logiques et de communication à base d’ondes de spins.
Le projet EHIS regroupe 3 partenaires académiques français : le CEMES (Toulouse), le LPCNO (Toulouse) et le LSPM (Villetaneuse). Il implique 8 chercheurs permanents et 3 chercheurs non permanents pour une durée de 48 Mois.
Skyrmionique ab initio multi-échelle dans les aimants 2D
Nous voulons démontrer qu’il est possible de programmer une mémoire à changement de phases dont la partie active est constituée d’une couche
d’alliage GeSbTe riche en germanium et dopée à l’azote (alliage NG-GST), dans plusieurs états dont la résistance électrique est intermédiaire entre celles des états extrèmes SET et RESET du composant (états de résistance intermédiaire, ERI) et dérive peu au cours du temps. La stabilisation de ces états intermédiaires permettrait de promouvoir la plateforme digitale avancée actuellement produite par notre partenaire STMicroelectronics dans le domaine convoité des composants neuromorphiques. Pour contrôler la formation de plusieurs ERI dont les valeurs de résistance restent distinctes au cours du temps, il est nécessaire de connaître les propriétés physiques de la mémoire à changement de phase, de l’échelle du composant à celle du nanomètre, pour chacun des ERI. Nous souhaitons en particulier comprendre : 1-quels sont les chemins de conduction qui s’ouvrent dans la couche de NG-GST pour chacun des ERI visés, 2- quelle doit être la micro/nanostructure de la couche de NG-GST pour que ces chemins de conduction puissent
s’ouvrir et 3- quelles séquences d’impulsions électriques doivent être appliquées à la mémoire à changement de phase pour obtenir les micro/nanostructures souhaitées. Pour accéder à ce niveau de compréhension, il nous paraît indispensable de rassembler les techniques, méthodes et savoir-faire complémentaires que le projet INTERSTATE propose de mettre en oeuvre : mesure de la structure atomique et chimique jusqu’à l’échelle du nanomètre, mesure des propriétés de transport électrique statiques et dynamiques, simulations numériques multi-échelles. Les résultats que nous obtiendrons à partir de nos recherches, qui se situent à l’interface entre la science des matériaux et l’étude fine de leurs propriétés physiques, ouvriront la voie vers de futurs développements de composants neuromorphiques et vers la recherche future des stratégies de programmation qui permettra
d’utiliser ces composants dans des applications neuromorphiques ou d’intelligence artificielle spécifiques.
Génération de phases métastables dans les nickelates pour le développement de fonctionnalités neuromorphiques
Les processus topotactiques constituent une voie prometteuse pour la découverte de nouvelles phases d’oxydes présentant des réseaux ordonnés
de lacunes d’oxygène. L’objectif du projet TaMe est de contrôler ces transitions dans des couches minces de nickelates de terre rare RNiO3 (R
étant un terre rare) en les interfaçant avec un matériau ferroélectrique (FE). Les variations de contraintes et de transferts de charges aux interfaces induites par l’application d’un champ électrique permettront de générer la formation et la coexistence de plusieurs phases dont la différence des conductivités ou des capacitances pourra être mise à profit dans des dispositifs neuromorphiques.
Pour atteindre cet objectif, nous allons d’abord prédire, à l’aide de calculs ab initio, quels sont les facteurs principaux (choix du matériau ferroélectrique et de la composition chimique de RNiO3 pour moduler la contrainte et le degrés d’oxydation des cations) permettant de synthétiser de nouvelles phases RNiO3-x métastables et présentant des états électroniques et polaires distincts. Nous élaborerons ensuite par ablation laser pulsée (PLD) et à l’aide de processus topotactiques des couches minces de RNiO3-x déposées sur un substrat FE ou recouverte d’une sur-couche FE. Finalement, nous combinerons des techniques de caractérisation avancée (microscopie électronique en transmission et techniques synchrotron) avec les calculs numériques pour mesurer et comprendre les propriétés électroniques et structurales de ces couches fines. En contrôlant la transition ou le ratio entre différentes phases coexistant dans le même échantillon, il sera possible de générer des états intermédiaires multiples, susceptibles d’être utilisés dans des dispositifs memristifs ou memcapacitifs possédant des fonctions neuronales ou synaptiques.
Le projet TaMe (ANR-25-CE08-6233) regroupe 3 partenaires académiques français, le CEMES (Toulouse), l’IPCMS (Strasbourg) et le SPMS (Gif-sur-Yvette), pour une durée de 48 mois.
Croix de Hall en graphène, des détecteurs très polyvalents et performants pour la quantification de champs magnétiques inhomogènes à l’échelle nanométrique
Le projet GRHAVITI vise à établir les croix de Hall en graphène (GHC) comme une nouvelle classe de capteurs avancés de champs magnétiques, capables de quantifier les champs magnétiques inhomogènes inférieurs au microtesla à des échelles micro et nanométriques. Comparées aux technologies existantes telles que les capteurs à effet Hall à base de semi-conducteurs conventionnels, les dispositifs supraconducteurs à interférence quantique microscopiques, les capteurs basés sur les vacances d’azote dans le diamant, les dispositifs à magnétorésistance tunnel ou géante, ou les microscopes à force magnétique, les GHCs offrent une alternative prometteuse, non invasive, économique, facile à utiliser et très efficace sur le plan énergétique, avec de larges plages de fonctionnement en température et en champs magnétiques appliqués. Le succès de GRHAVITI devrait considérablement améliorer les résolutions en champ magnétique atteignables et les temps d’acquisition à l’échelle nanométrique, impactant de nombreux domaines scientifiques et technologiques. Cela inclut les études sur les nanomatériaux ferro et ferrimagnétiques, comme les matériaux van der Waals ferromagnétiques récemment découverts, l’imagerie des domaines magnétiques ou des vortex supraconducteurs avec un microscope à sonde de Hall, la détection de la résonance ferromagnétique ou de la propagation des ondes de spin dans la gamme GHz dans les nanodispositifs spintroniques et magnoniques, ainsi que des applications en biodétection et en médecine telles que la magnéto-cardiographie ou la magnétoencéphalographie.
Quatre objectifs seront adressés par le projet GRHAVITI, avec pour ambition de faire progresser la technologie pour quantifier les champs magnétiques inhomogènes à l’échelle micro et nanométrique avec des GHC à un niveau TRL 3 : (i) Développer des modèles numériques quantitatifs pour prédire les réponses des GHC à des champs magnétiques inhomogènes et déterminer les meilleures conditions expérimentales pour un rapport signal/bruit et une linéarité optimisés, facilitant ainsi des mesures quantitatives; (ii) Réaliser une croissance déterministe de grands monocristaux de graphène par dépôt chimique en phase vapeur, facilitant la fabrication à l’échelle du wafer de GHC avec des performances élevées, stables et reproductibles ; (iii) Démontrer la capacité des GHC à effectuer une magnétométrie quantitative dans diverses conditions opérationnelles sur des nanoaimants modèles synthétisés par voie physique et des aimants de van der Waals ; (iv) Pour la première fois, utiliser les GHC pour détecter de faibles champs magnétiques micro-ondes générés lors de la résonance ferromagnétique de nanoaimants individuels et lors de la propagation d’ondes de spin dans des guides d’ondes.
Le projet GRHAVITI (ANR-25-CE42-1622) regroupe 3 partenaires académiques français, le LPCNO (Toulouse, le CEMES (Toulouse) et le L2C (Montpellier), pour une durée de 48 mois.
Moments orbitaux dans les oxydes
OXIMOR se penchera sur l’étude du transport orbital au sein d’hétérostructure d’oxydes, caractérisées par un ordre orbital ajustable. Ces dispositifs, déjà à la pointe de la spin-orbitronique, offrent une large gamme de paramètres exploitables pour générer et maîtriser des courants orbitaux, dans l’optique d’une spintronique à basse consommation énergétique.
Le projet OXIMOR regroupe 6 partenaires pour une durée de 48 mois.
Moments orbitaux dans les oxydes
OXIMOR se penchera sur l’étude du transport orbital au sein d’hétérostructure d’oxydes, caractérisées par un ordre orbital ajustable. Ces dispositifs, déjà à la pointe de la spin-orbitronique, offrent une large gamme de paramètres exploitables pour générer et maîtriser des courants orbitaux, dans l’optique d’une spintronique à basse consommation énergétique.
Le projet OXIMOR regroupe 6 partenaires pour une durée de 48 mois.
Topological SPINn textures for true random number generation with applications to ARTificial
Spintronic devices are promising building blocks for the development of low consumption hardware dedicated to artificial intelligence. Indeed, Magnetic Tunnel Junctions (MTJ) technologies used in Magnetic Random-Access Memory technologies have been recently successfully applied to build True Random Number Generators (TRNGs) to implement artificial intelligence algorithms. In the SPINART, project we propose to go toward a further improvement of the energy consumption involved in random bit generation. For this we propose to replace the homogeneously magnetized layer (macrospin) in the MTJ by a Topological Spin Texture (TST). TST are seen as promising systems to decrease the energy consumption in the writing process for TRNG due to the ultrafast processes which are involved in their nucleation and the possibility to use optics to write and read them. In the SPINART project we will fabricate a TRNG based on Topological Change in TST triggered by thermal noise. In order to unveil the potentiality of this system for TRNG, we will carry out National Institute of Standards and Technology (NIST) statistical test on a TC-TRNG device with a switching probability tuned close to 0.5.
Inhomogeneous magnetic field quantification at the nanoscale with graphene hall sensors
MAGHALLOR II project aims to establish graphene Hall sensors (GHS) as a new class of advanced magnetic field sensors capable of quantifying inhomogeneous magnetic fields below the micro-Tesla at micro and nanoscale levels. Compared to existing technologies like conventional semiconductors-based Hall Effect Sensors, micro superconducting quantum interference devices, diamond nitrogen vacancies-based sensors, tunnel or giant magnetoresistance devices or magnetic force microscope, GHSs offer a promising, non-invasive, cost-effective, easy-to-operate and highly-energy efficient alternative with broad operational ranges in temperature and applied background magnetic fields. Successful completion of MAGHALLOR II is expected to significantly enhance magnetic field resolution and acquisition time at the nano-scale, impacting many fundamental and technological fields. These include studies of ferro and ferrimagnetic nanomaterial such as the recently discovered ferromagnetic van der Waals materials, imaging of magnetic domains or superconducting vortices with a scanning Hall probe microscope, detection of the ferromagnetic resonance or spin wave propagation in the GHz range in spintronics and magnonic nanodevices, as well as biosensing and medical applications such as magneto-cardiography or magnetoencephalography.
Three main objectives will be tackled within MAGHALLOR II: (i) Developing quantitative numerical models to predict GHS’s responses to inhomogeneous magnetic fields and determine the best experimental conditions for optimized signal-to-noise ratio and linearity, facilitating quantitative measurements; (ii) Demonstrating the capability of GHS for quantitative magnetometry under various operational conditions on model nanomagnets synthesized by physical deposition and van der Waals ferromagnets; (iii) For the first time, employing a Hall sensor to detect small microwave magnetic fields generated during ferromagnetic resonance in nanomagnets and during spin wave propagation in waveguides.
MAGHALLOR II is a collaborative project between LPCNO and CEMES.
Towards electrical control of topological insulators for topological hetero-structures assembly
With the recent discovery of magnetic 3D topological insulators (3DTIs), new routes have opened for fundamental research on topological materials. In particular, devices made of heterostructures of magnetic and non-magnetic 3DTIs offer promising routes for high-temperature quantum anomalous Hall systems, with possible applications in metrology as standards of electrical resistance (the Ohm unit) which could be more accessible and thus be widely spread in the industry. Still, any complex heterostructure design must rely on the precise control and understanding of material, electronic and topological properties of 3DTIs. Here we propose to characterize the electronic properties of gated devices of locally grown epitaxial 3D topological insulator thin films (BiSb, BiSbTe and BiSbTeSe) in view of further 3DTI heterostructuring, using magnetotransport, Landau level spectroscopy and first-principles calculations at very high magnetic fields (50-70 T). This project strengthens and develops a local collaboration between three labs in Toulouse: the LNCMI (transport measurements at very high fields), the CEMES (theory, DFT), and the LAAS (epitaxial growth and nanofabrication). It will serve as a stepping stone for a full 3DTI magnetic heterostructures.
First-principles calculations of the Electric control of the Magnetization at multiferroic Interfaces
The dire need for reduced power consumption in semiconductor-based microelectronics calls for new paradigms based on alternative degrees of freedom. The design of extrinsic multiferroics, formed by the association of a ferroelectric material with a ferromagnet in heterostructures, has been a subject of intense research aiming to obtain large magnetoelectric couplings. Indeed, switching the magnetization by applying an electric field represents an extraordinary opportunity to reduce the power consumption of magnetic memory devices compared to using large magnetic fields or spin-transfer torques.
We will perform first-principles calculations based on the density functional theory (DFT). We will consider Pt/Co/HfO2 interfaces, with Pt/Co as a magnetic ultra-thin film magnetic electrode with a perpendicular magnetic anisotropy and HfO2 in its orthorhombic ferroelectric phase. We intend to calculate the modifications of
– the thermodynamical stability of the interfaces terminations, as a function of the oxygen atom positions and the atomic structure of the Pt/Co electrode,
– the static magnetic properties (magnetization, magnetic anisotropy),
– the magnetic ordering (through induced changes of magnetic exchange parameters),
– the electric-field-dependent spin/orbital torques as a function of oxidation and electric polarization states.
Cette thèse CIFRE s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le CEMES -CNRS (Toulouse) et Soitec (Bernin).
Le projet « Ô-GST » :
On sait peu de choses sur les changements physiques et chimiques qui affectent le matériau au cours des changements de phase et sont à l’origine des caractéristiques électriques de la cellule (résistive, conductrice ou intermédiaires) et sur les mécanismes de dégradation au cours du temps et de l’utilisation qui l’affectent. Pour cette raison, des travaux fondamentaux sont nécessaires pour comprendre les mécanismes par lesquels le matériau passe de la phase amorphe à la phase cristalline (et vice versa), l’impact de la géométrie, de la taille et des milieux environnants de la cellule sur les caractéristiques finales du matériau et du dispositif associé. De plus, les caractéristiques souhaitées des cellules sont obtenues en utilisant des matériaux de compositions clairement non-stoechiométriques, ce qui augmente encore le besoin d’une compréhension approfondie des mécanismes atomiques impliqués et donc d’une caractérisation à l’échelle nanométrique. Au cours des dernières années, nous avons déjà exploré la cristallisation et le transport dans les alliages de GST riches en Ge (GGST) ainsi que les relations structures/propriétés dans des cellules en technologie 28 nm et obtenu quelques résultats notables définissant aujourd’hui l’état de l’art du domaine (1-10).
Séparation de phases pendant la cristallisation d’un alliage GST riche en Ge. Cartographie élémentaire (MET-EDX) dans les couches recuites à 500°C et image ASTAR correspondante (en bas). De gros grains purs de GST 225 sont inclus dans une matrice de petits grains de Ge.
Dans ce contexte, le CEMES collabore avec STMicroelectronics dans le cadre d’un grand projet « Ô-GST » dont les objectifs visent à :
1) Identifier les mécanismes et les paramètres régissant la cristallisation thermique des matériaux GGST et les changements résultant du dopage avec N, C et H, dans des couches déposées mais aussi au sein de cellules nanométriques (technologies 28 et 18 nm).
2) Comprendre l’influence de la morphologie des domaines GST (phases, tailles de grains…) sur les caractéristiques électriques du matériau et sur les performances et la fiabilité (dérive, rétention / cyclage) des PCMs basés sur ces matériaux.
3) Explorer la possibilité d’accéder à des états de résistivité intermédiaires (IRS) et de mimer l’activité synaptique (stockage analogique, stockage cumulatif et plasticité) en utilisant des cellules Ge-GST.
Pour atteindre ces objectifs, nous avons constitué un groupe de trois chercheurs permanents du CEMES et du LPCNO aux compétences complémentaires (théorie, science des matériaux, transport et propriétés électriques), un ingénieur expert de STMicroelectronics, 4 postdocs et une doctorante.
Exemple typique d’analyse chimique par EELS de la région active d’une cellule PCM à l’état RESET (résistif et amorphe). L’étape de forming amène à la fabrication d’une nanostructure typique, composée de murs latéraux en Ge et d’un toit en GeTe, au sein de laquelle un dôme amorphe homogène, riche en Ge et en Sb, est formé. L’épaisseur totale de la couche est de 50 nm.
L’activité est fortement soutenue par des contrats directs avec STMicroelectronics (Task Force GST SOW1 et SOW2, Cifre), par les projets européens IPCEI sur la microélectronique déclinés via les programmes nano2022 et nano2025, pour un montant total de plus de 2 millions d’euros.
A gauche, évolution de la résistivité de cellules en fonction du traitement thermique reçu. Dans un premier temps, l’amorphe relaxe et devient encore plus résistif (drift). Au dela de 270°C, il devient conducteur.
En dessous, images en champs sombre montrant la stabilité des grains de Ge en bord de dôme (en blanc) alors que des grains de GST-225 (en noirs) recristallisent et envahissent le dôme à partir de 260°C.
