MEM

Matériaux et Dispositifs pour l'Électronique
et le Magnétisme

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.

 

LES THÉMATIQUES DE RECHERCHE

1. Spintronique, magnonique et nanomagnétisme
Les matériaux magnétiques offrent une grande variété d’applications dans les domaines des capteurs magnétiques, du stockage de l’information ou des composants électroniques logiques. Ils permettent également de concevoir à l’échelle nanométrique des dispositifs à faible consommation énergétique, grâce la manipulation de courant de spin en lieu et place d’un courant de charge. Dans ce cadre, l’un des objectifs de l’équipe MEM est de comprendre le lien existant entre les propriétés structurales et les propriétés magnétiques statiques et dynamiques (ondes de spins) dans les nano-matériaux sous forme de films minces, de nano-fils ou d‘objets micro/nano structurés. Pour cela, l’équipe s’appuie sur une large gamme de compétences expérimentales développées au laboratoire pour la croissance de matériaux (pulvérisation cathodique, évaporation sous ultravide), la caractérisation structurale (microscopie électronique, diffraction X) et la caractérisation des propriétés magnétiques (résonance ferromagnétique, magnétométrie par PPMS, magnétométrie et imagerie par effet Kerr). Les études expérimentales s’appuient également sur des simulations micromagnétiques par éléments finis et des calculs ab-initio.

contact : nicolas.biziere@cemes.fr

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.

 

contact : nicolas.biziere@cemes.fr

Du point de vue fondamental, les performances et les fonctionnalités des composants spintroniques requièrent une compréhension fine de la formation des états magnétiques rémanents (= à champ nul) dans les nano objets. Notre équipe travaille en collaboration avec l’équipe I3EM du CEMES pour comprendre comment apparaissent les états inhomogènes dans des systèmes à symétrie cylindriques tels que des nanofils et ceci en relation avec les éventuelles variations chimiques et géométriques locales de l’objet. Pour cela, nous observons les états magnétiques par holographie électronique et nous comparons les images de phases magnétiques obtenues avec celles reconstruites à partir de simulations micromagnétiques. Pour ces dernières, nous essayons d’inclure dans les modèles numériques la géométrie observée par microscopie électronique ainsi que des variations locales des paramètres magnétiques induites par des variations de composition. Grâce à cette approche quantitative, nous avons pu observer  des transitions entre états uniformes et états vortex dans des multicouches cylindriques [1,2] (Fig 1.3) ou bien la formation de paroi transverse dans des nano cylindres pleins [3]. Nos développements futurs concernent l’observation par holographie électronique des états dynamiques dans les nano-objets sous excitation radiofréquence.

Figure 1.3 : Image en transmission (a) et en mode EFTEM (b) d’un empilement Co25 nm/Cu15 nm. Images de phase magnétique expérimentale (c,d) et simulée (e,f) de l’état magnétique rémanent pour un champ de saturation HSAT perpendiculaire (c,e) ou parallèle (d,f) à l’axe du fil. Les configurations magnétiques correspondantes sont présentées en (i) et (j). (g) et (h) Profil d’intensité de la phase magnétique tracé le long des flèches blanches en (c) et (e) et intégré sur les zones blanches en (d) et (f). Tiré de [2].

 

[1] Multi magnetic states in Co/Cu multilayered cylindrical nanowires studied by combination of off-axis electron holography imaging and micromagnetic simulations. N. Biziere, D. Reyes, T. L. Wade, B. Warot-Fonrose and C. Gatel,, J. Appl. Phys. 126, 163906, 2019.

[2] Magnetic Configurations in Co/Cu Multilayered Nanowires: Evidence of Structural and Magnetic Interplay. D. Reyes, N. Biziere, B. Warot-Fonrose, T. Wade, and C. Gatel,, Nanoletters 16, 1230, 2016.

[2] Imaging the Fine Structure of a Magnetic Domain Wall in a Ni Nanocylinder. N. Biziere, C. Gatel, R. Lassalle-Balier, M-C. Clochard,  J.E. Wegrowe, E. Snoeck, NanoLetters, 13, 2053, 2013.

2. Semiconducteurs pour l’électronique
La thématique « Matériaux semiconducteurs pour la microélectronique » 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 mais surtout industriels. Cette thématique correspond à ∼3/8 du temps de recherche des permanents du groupe.

contact : nikolay.cherkashin@cemes.fr

Nous nous sommes donnés comme objectif de comprendre la « physique », c’est-à-dire les ingrédients et les forces motrices, mis en jeu au cours de la formation (nucléation), de la croissance et de la transformation d’hétérostructures de types nanocristaux, défauts ou couches (1D, 2D, 3D) dans des matrices cristallines mises sous contrainte, et en cours de recuits thermiques. Plus précisément, nous nous sommes intéressés aux caractéristiques, que nous avons mesurées expérimentalement, et à la modélisation de la structure des objets nano et micrométriques mais aussi à la simulation des cinétiques d’évolution (lois de croissance) de populations de précipités en présence de contraintes, volontairement ou involontairement appliquées.

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).

contact : alain.claverie@cemes.fr, lionel.calmels@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.

 

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. Un projet exploratoire sur les IRS (états de résistivités intermédiaires) que nous coordonnons sera financé par l’ANR de 2023 à 2027.


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.

 

Références: 

https://en.wikipedia.org/wiki/3D_XPoint

http://europa.eu/rapid/press-release_IP-18-6862_en.htm

https://www.usinenouvelle.com/article/feu-vert-de-bruxelles-au-plan-europeen-ipcei-de-8-milliards-d-euros-sur-la-nanoelectronique.N788229.

https://www.usine-digitale.fr/article/semi-conducteurs-microelectronique-le-plan-a-10-milliards-du-gouvernement.N2029712

 

Publications de l’équipe :

1) M. Agati et al., MRS Communications (2018), https://doi.org/10.1557/mrc.2018.168
La MET in situ montre que la cristallisation thermique des alliages GGST dopés à l’Azote se produit vers 380°C. Elle est homogène et conduit à la formation d’un matériau biphasé Ge-GST.

2) M. Agati et al., J. Mat. Chem. (2019), https://doi.org/10.1039/c9tc02302
Diverses techniques MET, notamment l’EDX et ASTAR, ainsi que la XRD, sont utilisées pour montrer que la cristallisation du GGST passe par la nucléation de la phase Ge suivie de la cristallisation de la phase GST-225, qui est formellement identifiée.

3) R. Sinha Roy et al., Phys. Rev. B, (2019), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.245124
La structure électronique et la conductivité électrique de cristaux cubiques de Ge2Sb2Te5 non-stoechiométriques ou dopés au Si ont été calculées (first principles). L’incorporation de Ge en excès ou de Si sur les sites normalement lacunaires du sous réseau Ge-Sb permet d’augmenter la conductivité d’un facteur 4-5.

4) M. Agati et al., Applied Surface Science, (2019), https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146227
Il est montré que le stockage à l’air de couches de GGST amorphe conduit à la formation d’une couche oxydée en surface. Lorsque de telles couches sont recuites, l’oxydation sélective du Ge conduit à une redistribution des éléments et à la cristallisation hétérogène de la couche depuis la surface à une température plus basse qu’observé lorsque les couches sont encapsulées.

5) A. Bourgine et al., Solid State Electronics, (2020), https://doi.org/10.1016/j.sse.2020.107871
Nous avons étudié les caractéristiques de conduction de cellules de GGST par I(V) entre 100 et 500 K et par spectroscopie d’impédance. Alors qu’il est généralement admis que la conduction est du type Poole-Frenkel, c’est-à-dire résulte du saut de charges entre défauts dans la bande interdite d’un matériau homogène, nous montrons que cette conduction peut être décrite par du transport entre (nano)-grains de conductivité et donc de compositions différentes. Dans l’état cristallin, la conduction ressemble à celle du Germanium dopé Sb.

6) Luong et al., Physica status solidi PSS-RRL, 2021, Vol.15(3), https://doi.org/10.1002/pssr.202000471
Un article de revue mettant en exergue les spécificités des alliages GeSbTe riches en Ge (GGST), d’un point de vue structural, chimique et électrique.

7) Luong et al., Physica status solidi PSS-RRL, 2021, Vol.15(3), https://doi.org/10.1002/pssr.202000443
Nous montrons par MET et XRD que l’incorporation de N dans le GGST tend à ralentir les processus de séparation de phases, de cristallisation et de croissance pendant les recuits thermiques. Les avantages technologiques du dopage N sont également discutés, en considérant la stabilité accrue de la phase amorphe par rapport à sa phase cristalline parente et sa microstructure plus divisée.

7) Luong et al., Nanomaterials, (2021), https://doi.org/10.3390/nano11071729
L’implantation ionique permet de fabriquer des échantillons de GST-225 dans lesquels la concentration en Azote varie en fonction de la profondeur. Nous avons pu ainsi étudier par comparaison directe et in situ dans un MET, l’effet de l’azote sur la cristallisation du GST-225. L’augmentation de la viscosité du verre et la cristallisation totalement dominée par la nucléation mises en évidence s’explique par la réduction de la diffusivité du Ge en présence d’azote. Dans les régions riches en azote, les grains de GST-225 sont déformés en tension, ce qui suggère l’incorporation du N au sein des grains et non pas à leurs joints, comme souvent assumé dans la littérature.

8) E. Rahier et al., ACS Appl. Electron. Mater. (2022), https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c00038
La caractérisation fine par XRD au synchrotron en cours de recuits isothermes (in situ) de la cristallisation des alliages GGST, combinée à des caractérisations ex situ par STEM-HAADF, a permis d’élucider le scénario de cristallisation des alliages GGST, mettant ainsi fin à une longue controverse.

9) Luong et al., Material Science in Semiconductor Processing, in press.
Des échantillons spécifiques comportant une source solide enfouie dans une matrice de GST ont permis d’étudier par MET in situ et STEM-EDX la diffusion thermique du Ge au travers de couches de GST-225 amorphes et cristallines. La diffusion devient forte au-dessus de 220°C et s’effectue via les joints de grains. Le Ge ségrége en phase amorphe entre les grains de GST.

10) L. Laurin et al., IEDM Proc. 2022, in press.
Nous présentons une étude complète de la rétention des états SET et RESET de cellules PCM d’alliages GGST réalisée en couplant des caractérisations électriques et physiques. Les images STEM-HHADF suggèrent que des résidus amorphes riches en Ge présents dans la région active des cellules pourraient être à l’origine des phénomènes de dérive notés dans ces cellules.

contact : nikolay.cherkashin@cemes.fr

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).

3. Oxydes fonctionnels
La thématique « Oxydes fonctionnels pour l’électronique et la spintronique » a pour objectifs d’analyser, comprendre et prédire les propriétés physiques d’oxydes fonctionnels ou d’interfaces d’oxydes. Ces propriétés pourraient être mises à profit dans des dispositifs originaux, tirant partie de la grande richesse et diversité de comportements offerte par cette famille de matériaux. Elles pourraient être manipulées et ajustées par une ingénierie fine de leur structure atomique.

Les oxydes forment une famille de matériaux présentant une large gamme de compositions chimiques et de structures cristallographiques, propice à l’émergence d’un vaste choix de propriétés physiques (magnétisme, ferroélectricité, supraconductivité…). En plus de leur aspect multifonctionnel, un des attraits de ces composés provient du fait que leurs propriétés sont généralement facilement manipulables grâce au contrôle de paramètres intrinsèques (choix de la composition chimique, ingénierie des défauts structuraux, design d’interfaces) ou à l’application de stimuli externes (champ électrique, magnétique ou variation de la température). Les activités théoriques que nous développons sont basées sur l’utilisation de calculs premiers principes appliqués à la physico-chimie des oxydes. Nous nous intéressons au lien entre propriétés structurales, électroniques et magnétiques d’oxydes complexes en couches minces, avec un accent porté sur l’étude des propriétés des interfaces. Cette thématique englobe à la fois des études

– des gaz bidimensionnels d’électrons aux interfaces avec un oxyde polaire [1,2]

– des effets spin-orbite dans les oxydes [3],

– de la structure électronique aux interfaces « métal/oxyde », afin de comprendre les effets de couplage magnétoélectrique [4] ou les mécanismes définissant la hauteur de barrière Schottky [5].

Figure 3.1: Levées de dégénérescence en spin et paramètres spin-orbite Rashba des bandes d des atomes de Ti associées à la formation du gaz bidimensionnel d’électrons à l’interface LaAlO3/SrTiO3(001) [Thèse de J. Gosteau (http://thesesups.ups-tlse.fr/5091/)].

Actuellement, nous participons à un projet collaboratif financé par l’ANR (projet MULTINANO, https://projet.multinano.ovh/, grant number ANR-19-CE09-0036, porté par A. Barbier, SPEC, CEA-Saclay), projet dans lequel nous souhaiterions comprendre les mécanismes physiques à l’origine de la formation de domaines conducteurs dans des ferrites de structure spinelle, au voisinage de leurs interfaces.

[1] R. Arras, et al., Spin-polarized electronic states and atomic reconstructions at antiperovskite Sr3SnO(001) polar surfaces, Phys. Rev. B 104, 045411 (2021).

[2] K. Rubi, et al., Aperiodic quantum oscillations in the two-dimensional electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 interface, npj Quantum Mater. 5, 1 (2020).

[3] J. Gosteau, et al., Spin-orbit effects in ferroelectric PbTiO3 under tensile strain, Phys. Rev. B 103, 024416 (2021).

[4] R. Arras and S. Cherifi-Hertel, Polarization Control of the Interface Ferromagnetic to Antiferromagnetic Phase Transition in Co/Pb(Zr,Ti)O3, ACS Appl. Mater. & Interfaces 11, 34399 (2019).

[5] R. Arras, et al., Schottky barrier formation at the Fe/SrTiO3(001) interface : Influence of oxygen vacancies and layer oxidation, Phys. Rev. B 102, 205307 (2020).

contact : sylvie.schammchardon@cemes.fr

L’étude des verrous scientifiques et technologiques concernant (i) la fabrication de nanostructures d’oxydes complexes sur semiconducteurs, (ii) leurs propriétés (photo)ferroélectriques et (iii) leur dynamique est au coeur du projet ANR PRCI franco-allemand FEAT (voir section “Les Projets”). Les nanostructures sont préparées par RIE (Reactive Ion Etching) et FIB (Focused Ion Beam) d’ions Neon (partenaire HZB) sur l’oxyde BaTiO3, massif ou fabriqué sous forme de film mince par MBE (Molecular Beam Epitaxy) sur Silicium (via une couche intermédiaire d’oxyde SrTiO3). Au CEMES, nous essayons d’établir la cartographie de la structure atomique, de la chimie et  des déplacements atomiques en relation avec la polarisation électrique (amplitude et la direction de la polarisation à l’échelle locale) avec des méthodes avancées de la microscopie électronique en transmission (TEM et STEM) et un traitement quantitatif adapté des données expérimentales d’imagerie. La formation des domaines et leur renversement sont étudiés in situ dans le microscope dédié I2TEM (groupe I3EM CEMES).

contact : sylvie.schammchardon@cemes.fr, remi.arras@cemes.fr

Les technologies émergentes de communication (5G, NFC) nécessitent des varactors (condensateurs à capacité variable) à film ferroélectrique (FE) avec des épaisseurs significativement plus fines pour fonctionner à des fréquences plus élevées ou des tensions de travail plus faibles. La solution métal/perovskite Ba1-xSrxTiO3 (BST)/métal est la plus utilisée actuellement mais réduire l’épaisseur induit l’apparition d’une « couche morte » FE d’interface et l’augmentation du courant de fuite. Le projet ANR BEPOLAR (voir section “Les Projets”) a pour but d’étudier la capacité de modifier et contrôler les propriétés de cet interface par l’introduction de quelques couches atomiques d’un oxyde perovskite (Interface Control Layer ICL = La1-xSrxMnO3, Ba1-xSrxRuO3) par une approche systématique (étude de l’effet de la nature, de l’épaisseur et de la composition chimique de l’ICL). Dans ce projet, le CEMES utilise les méthodes avancées de microscopie électronique à transmission (STEM)  et des traitements de données utilisant des scripts pionniers internes pour fournir des informations structurales et chimiques sur les différentes interfaces en relation avec leurs propriétés. Ces microscopies TEM corrigées des aberrations résolvent la nature et les positions individuelles des colonnes atomiques avec une précision de quelques dizaines de picomètres. Cela permettra de déterminer aux interfaces la distorsion du réseau cristallin, les rotations octaédriques et la chimie d’interface des hétérostructures épitaxiales BST/ICL. Des calculs DFT aident à comprendre les propriétés mesurées aux interfaces.

contact : nikolay.cherkashin@cemes.fr, sylvie.schammchardon@cemes.fr

Dans le domaine de la télécommunication mobile, les filtres radiofréquences (RF) les plus répandus aujourd’hui sont les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW pour Surface Acoustic Wave). Ce sont des filtres passe-bande constitués d’un substrat piézoélectrique monocristallin sur lequel est déposé un ensemble d’électrodes interdigitées. Aujourd’hui, les nouvelles contraintes imposées par les réseaux de télécommunication, notamment la 5G, demandent des substrats avec de meilleures performances. Le Tantalate de Lithium (LiTaO3 ou LTO) intégré sous forme de film mince piézoélectrique sur isolant (POI pour Piezoelectric-on-Insulator) ouvre des perspectives dans ce sens. Cette hétérostructure LTO/SiO2/Si permet de réaliser des filtres avec un meilleur facteur de qualité, une bande passante plus large, d’augmenter leur stabilité en température et de diminuer les pertes d’insertion. Les substrats POI sont fabriqués en utilisant la technologie Smart Cut™ développé par l’entreprise Soitec, qui permet le transfert de films minces monocristallins. Les principales étapes du procédé sont les suivantes : 1) Implantation d’hydrogène dans un substrat de LTO monocristallin. On obtient une couche implantée et endommagée avec un pic de concentration d’hydrogène à une certaine profondeur sous la surface; 2) Collage moléculaire du substrat implanté de LTO sur un substrat de SiO2/Si; 3) Étape de recuit qui va permettre la précipitation de l’hydrogène et des défauts ponctuels dans la couche de LTO implanté, ce qui va engendrer la croissance de microfissures jusqu’à obtenir la fracture de toute la couche cristalline. La fracture ayant lieu à une certaine profondeur sous la surface du LTO, on obtient de cette manière, le transfert d’une couche mince de LTO sur le substrat de SiO2/Si; 4) Traitement final de la couche transférée par recuit et polissage pour lisser la surface et retrouver l’intégrité cristalline du LTO. Ce travail de thèse a permis de mettre en évidence les modifications de propriétés structurales [1] et chimiques qui s’opèrent au sein du LTO pendant ces principales étapes à différentes échelles. Par ailleurs, ce travail a nécessité l’adaptation ou le développement de nouvelles méthodologies, notamment pour étudier la déformation dans les couches implantées par diffraction des rayons X (XRD) et plus localement par microscopie électronique en transmission en mode balayage (STEM) à haute résolution. La redistribution des éléments chimiques dans les couches implantées a d’abord été étudiée localement par spectroscopie de pertes d’énergie d’électrons (EELS) puis complétée à une échelle plus globale par spectroscopie d’émission optique à décharge luminescente (GDOES).

Les liens entre déformation, concentration d’hydrogène (mesurée par SIMS) et redistribution des éléments chimiques, notamment le Li, dans le LTO implanté ont tout d’abord été mis en évidence. L’étude de l’évolution sous recuit a ensuite apporté des éléments de réponse sur les conditions de croissance des nano-fissures à l’origine de la fracture et leur morphologie atypique. Enfin, une étude par TEM en champ sombre et STEM haute-résolution a montré que les couches de LTO transférées, bien que similaires au LTO massif, présentent dans certains cas un retournement local de la polarisation au niveau de l’interface avec le SiO2. La cause de ce phénomène est encore sujette à discussion et pourra faire l’objet d’une future étude.

[1] A. Louiset, S. Schamm-Chardon, O. Kononchuk, and N. Cherkashin, Reconstruction of depth resolved strain tensor in off-axis single crystals: Application to H+ ions implanted LiTaO3, Appl. Phys. Lett. 118, 082903 (2021).

4. Hétérostructures de Van der Waals pour la spintronique et la spin-orbitronique

contact: dongzhe.li@cemes.fr

Les skyrmions magnétiques, pseudo-particules caractérisées par des structures de spin chirales topologiquement protégées, ont attiré une attention considérable en raison de leurs applications potentielles pour le stockage et le traitement de l’information. Jusqu’à présent, la communauté scientifique a principalement étudié ces objets dans des aimants tridimensionnels massifs, des couches magnétiques ultra-minces et des multicouches. Nous étudions numériquement les skyrmions dans des aimants bidimensionnelles (2D) nouvellement découverts et dans leurs hétérostructures de van der Waals. Notre étude, entièrement guidée par la modélisation théorique/numérique, propose de dévoiler les mécanismes de la stabilité, de la détection et de la manipulation des skyrmions dans les aimants 2D. Ces bases sont nécessaires pour concevoir des dispositifs skyrmioniques 2D susceptibles d’être utilisés pour des applications de type mémoire ou logique.  Les points importants de ce projet sont :

  • la compréhension du magnétisme dans les systèmes de basse dimension
  • le calcul des structures de spin topologiques
  • le calcul du transport quantique à travers des nanostructures magnétiques non colinéaires

Cette étude est financée dans le cadre du projet « NanoX disruptive (2022-2025) ».

contact: lionel.calmels@cemes.fr

Les hétérostructures de Van der Waals sont des nanomatériaux complexes, constitués par l’association de plusieurs cristaux bidimensionnels d’épaisseur sub-nanométrique possédant des propriétés électroniques et magnétiques potentiellement très différentes, liés les uns aux autres que par des forces de Van der Waals.  Dans le cadre du projet ANR SYZMO2D, nous nous sommes intéressés à des  hétérostructures associant un semiconducteur bidimensionnel de la famille des dichalcogénures de métaux de transition (tel que MoS2) et une couche magnétique à anisotropie perpendiculaire. Cette association doit en principe permettre d’injecter un gaz de porteurs dont les spins sont perpendiculaires au plan du semiconducteur 2D, sans qu’il soit nécessaire d’appliquer un champ magnétique extérieur pour imposer cette orientation.

Nous avons utilisé des méthodes ab-initio basées sur la DFT pour calculer les propriétés physiques de multicouches Fe/MgO/MoS2 ; ces empilements associent bien une électrode ferromagnétique à anisotropie perpendiculaire (couche ultra-mince de fer) et un mono-feuillet de MoS2, séparés l’un de l’autre par une fine couche de MgO dont l’épaisseur est ajustable. Nous avons montré que ce système est le siège d’un transfert d’électrons depuis l’interface Fe/MgO vers le feuillet de MoS2. Suite à ce transfert, la couche de MgO est le siège d’un champ électrique et la bande de conduction de MoS2 est partiellement occupée par un gaz d’électrons. Bien que la polarisation en spin de ce gaz d’électrons reste très faible, nous avons observé des effets dépendant du spin très intéressants dans la structure de bandes du feuillet de MoS2 :  La dispersion des bandes de valence de MoS2 est influencée par la plus ou moins grande proximité magnétique de la couche de fer et par le champ électrique dû au transfert de charge et à la proximité de la couche de MgO d’interface. Il en résulte une compétition entre les effets magnétiques et ceux liés au couplage spin-orbite qui dépend de l’épaisseur de la couche de MgO. Ces deux types d’effets modifient l’énergie des bandes et la texture de spin, voir figure ci-dessous.

Figure 3.2: Structure de bandes de la multicouche Fe(7MLs)/MgO(3MLs)/MoS2. Les couleurs donnent la projection du spin sur l’axe perpendiculaire au feuillet de MoS2. Pour cette faible épaisseur de MgO, le gap est direct, la levée de dégénérescence de la bande de valence est clairement visible et les spins sont perpendiculaires à la couche au centre de la zone de Brillouin. Le gap devient indirect, la dégénérescence en spin plus faible et la texture de spin différente, pour des épaisseurs de la couche de MgO plus élevées

[1] Z. Zhou, P. Marcon, X. Devaux, P. Pigeat, A. Bouché, S. Migot, A. Jaafar, R. Arras, M. Vergnat, L. Ren, H. Tornatzky, C. Robert, X. Marie, J.-M. George, H. Jaffrès, M. Stoffel, H. Rinnert, Z. Wei, P. Renucci, L. Calmels and Y. Lu, Large perpendicular magnetic anisotropy in Ta/CoFeB/MgO on full-coverage monolayer MoS2 and first-principles study of its electronic structure, ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 32579 (2021).

5. Spintronique moléculaire

contact: dongzhe.li@cemes.fr

 Le contrôle et la détection du magnétisme dans des dispositifs compacts et économes en énergie est primordiale pour le développement de futurs dispositifs spintroniques. L’utilisation de molécules uniques comme unités quantiques ouvre une nouvelle voie pour atteindre les limites physiques de la miniaturisation. La spintronique moléculaire est un domaine émergent combinant la flexibilité de l’électronique moléculaire et du magnétisme moléculaire avec les avantages de la spintronique. Son objectif principal est la manipulation du spin électronique par une combinaison judicieuse de molécules ad hoc et de substrat inorganique.

Figure 5.1: a) Représentation schématique d’une molécule FeTPP déposée sur un feuillet de graphène (dopé), situés entre une pointe de STM une électrode de grille. b) Les deux états magnétiques (S=3/2 ou S=1) de la molécule déposée sur du graphène dopé au bore  que l’on peut obtenir de façon réversible lorsqu’on modifie la tension de grille. c) Polarisation en spin du transport électronique dans le feuillet de graphène : cette polarisation est de 10% sans appliquer de tension de grille alors qu’elle disparaît lorsqu’on applique une tension négative. Ce principe permet d’écrire une information binaire (états 0 ou 1) en appliquant une tension et de lire cette information en mesurant le courant.

Notre objectif scientifique est de proposer des concepts généraux pouvant être utilisés pour optimiser les propriétés de magnéto-transport des matériaux/dispositifs. Par exemple, nous avons récemment proposé une nouvelle façon d’obtenir un contrôle entièrement électrique des dispositifs de spintronique moléculaire, sans qu’il soit nécessaire d’appliquer des champs magnétiques externes [1] (voir Fig. 5.1). Les points importants de ce projet sont :

  • la manipulation des propriétés magnétiques dans les molécules à croisement de spin [2]
  • le transport quantique à travers des nanocontacts métalliques, magnétiques et moléculaires [3]

[1] F. Gao, D. Li, C. Barreteau, and M. Brandbyge, Phys. Rev. Lett. 129, 027201 (2022) (Editor’s suggestion).

[2] D. Li et al, ccepté dans le J. Phys. Chem. Lett. (2022), arXiv:2206.13767.

[3] D. Li et al., Phys. Rev. B 99, 115403 (2019); A. Pal & D. Li et al., Nat. Commun. 10, 5565 (2019); D. Li et al., Phys. Rev. Research 3, 033017 (2021).

Ce travail a été effectué dans le cadre du projet européen  COSMICS.

6. Développement de méthodes expérimentales et de logiciels pour la mesure quantitative de déformation :
La miniaturisation continue des dispositifs à base d’hétérostructures semiconductrices rend nécessaire d’étudier à la fois la déformation et la composition dans ces structures de l’échelle nanométrique à l’échelle micrométrique. Alors qu’il existe quelques méthodes MET dédiées à la mesure de déformation avec une résolution nanométrique au voisinage d’objets nanométriques, nous avons cru nécessaire de proposer de nouvelles méthodes et développer de nouvelles techniques permettant d’atteindre la précision, la résolution spatiale et un champ de vue suffisant pour répondre aux besoins des certaines problématiques complexes « matériaux ».

contact : nikolay.cherkashin@cemes.fr

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).

contact : nikolay.cherkashin@cemes.fr

 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).

7. Développement d’un plateforme de théorie/simulation pour le transport ab initio réaliste dans les dispositifs de spin-orbitronique.

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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.

  • Théorie et implémentation de nouvelles fonctionnalités dans les codes basés sur DFT +NEGF (Fonctions de Green hors équilibre): spin-orbit torque, spin-charge orbital pumping, effects beyond linear response.
  • Développement d’une plateforme de modélisation à grande échelle (>1000 atomes) (TBnc-trans) basée sur le formalisme NEGF pour calculer les propriétés de transport spin-orbite dans des systèmes impliquant des textures de spin non colinéaires (e.g. skyrmions magnétiques ou vortex) et/ou des défauts structuraux .

LES MEMBRES

PROJETS EN COURS

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.

Les nouvelles technologies doivent permettre une croissance durable et nécessitent que les dispositifs utilisent moins de matériaux et consomment moins d’énergie. La miniaturisation a été la principale voie exploitée et avec grand succès dans le domaine de la microélectronique. Une autre stratégie consiste à utiliser des composés multifonctionnels offrant plusieurs degrés de liberté. Idéalement, les deux approches devraient converger vers des dispositifs multifonctionnels à l’échelle nanométrique: c’est l’objectif du projet MULTINANO. Dans ce projet nous réaliserons des dispositifs incluant des composants multifonctionnels sensibles à de nombreuses sollicitations extérieures. La connectique intrinsèque embarquée qui pourra être réduite aux échelles nanométriques.

La nanolithographie sera réalisée sur des hétérostructures laminaires monocristallines réalisées par épitaxie par jet moléculaire. La lithographie laser permettra de réaliser des compositions variables dans les plans. Les nano-circuits seront étudiés en fonctionnement (et jusqu’à rupture) en utilisant des techniques d’imagerie de rayonnement synchrotron qui incluront les dispositifs les plus avancés tant pour l’étude structurale, chimique que magnétique aux échelles micro- et nanométriques. Des calculs théoriques seront utilisés pour comprendre le piégeage des charges aux interfaces et pour déterminer les configurations optimales des dispositifs.

Le projet MULTINANO regroupe 3 partenaires : le SPEC/CEA (Paris-Saclay), le synchrotron Soleil (Paris-Saclay) et le CEMES (Toulouse). Le cemes assure la partie théorique du projet.

Dans le domaine de la télécommunication mobile, les filtres radiofréquences (RF) les plus répandus aujourd’hui sont les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW pour Surface Acoustic Wave). Ce sont des filtres passe-bande constitués d’un substrat piézoélectrique monocristallin sur lequel est déposé un ensemble d’électrodes interdigitées. Aujourd’hui, les nouvelles contraintes imposées par les réseaux de télécommunication, notamment la 5G, demandent des substrats avec de meilleures performances. Le Tantalate de Lithium (LiTaO3 ou LTO) intégré sous forme de film mince piézoélectrique sur isolant (POI pour Piezoelectric-on-Insulator) ouvre des perspectives dans ce sens. Cette hétérostructure LTO/SiO2/Si permet de réaliser des filtres avec un meilleur facteur de qualité, une bande passante plus large, d’augmenter leur stabilité en température et de diminuer les pertes d’insertion. Les substrats POI sont fabriqués en utilisant la technologie Smart Cut™ développé par l’entreprise Soitec, qui permet le transfert de films minces monocristallins. Cette thèse a pour but de répondre aux deux problématiques suivantes : 1) Élucider l’impact de l’endommagement de la matrice piézoélectrique par l’implantation en fonction de la dose d’hydrogène implantée et la transformation du système lors de recuits permettant d’initier la fracture du matériau; 2) Identifier l’impact des étapes du procédé Smart CutTM sur la récupération de l’intégralité des propriétés piézoélectriques intrinsèques du LTO bulk.

Cette thèse CIFRE s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le CEMES -CNRS (Toulouse) et Soitec (Bernin).

Le sujet de thèse porte sur le collage de deux substrats SiC l’un sur l’autre. Il en résulte la présence, dans le produit final, d’une interface de collage dont les propriétés physico-chimique et électriques vont jouer un rôle important dans les performances des dispositifs réalisés sur le produit. L’objectif est donc d’étudier et d’offrir une description quantitative du comportement de cette interface SiC/SiC à haute température. Plus précisément, les points suivants seront abordés : étudier la morphologie et l’évolution des interfaces entre une couche mince de SiC cristallin et un substrat SiC quelconque, comprendre l’évolution de la qualité cristalline des couches minces, caractériser la résistivité électrique de ces interfaces.

Cette thèse CIFRE s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le CEMES -CNRS (Toulouse) et Soitec (Bernin).

FEAT ANR-19-CE24-0027 – Mars 2020/Septembre 2023

  • CEMES Centre d’Elaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales
  • IFOX-HZB Helmholtz Zentrum Berlin für Materialen und Energie / Institut IFOX
  • UP University of Potsdam / Institut für Physik und Astronomie

La fonctionnalité essentielle des ferroélectriques provient de la possibilité de renverser la polarisation sous l’application d’un champ électrique. Lorsque la taille du ferroélectrique décroit, la polarisation peut devenir instable, non renversable ou extrêmement faible à cause de l’absence ou de l’asymétrie dans les charges d’écrantage de surface et de leur redistribution au cours du renversement. Il a récemment été montré que la polarisation ferroélectrique peut être renversée dans des films BaTiO3 aussi minces que 1.6 nm déposés sur Si. Dans ce projet, nous voulons étudier la ferroélectricité de nanostructures très minces sur semiconducteurs mais aussi ayant des dimensions latérales submicrométriques. Nous aborderons ainsi de nouveaux aspects de la ferroélectricité à l’échelle nanométrique avec en perspective l’intégration de ferroélectriques sur semiconducteur pour des applications en nanoélectronique et en photonique intégrée.

Nous souhaitons relever plusieurs défis technologiques en relation avec la fabrication de nanostructures d’oxyde complexe sur substrat plan de Si. L’ALD, la gravure ionique réactive et l’usinage par faisceau d’ion Ne seront mis en œuvre pour préparer des nanostructures cylindriques de hauteur et de diamètre variables (2-100nm x 50-800 nm). Nous aborderons différents sujets aux frontières de la connaissance actuelle sur la ferroélectricité sur semiconducteur. Puisque dans les nanostructures la surface contribue de façon importante voire plus importante que le volume, l’écrantage chimique va entrer en compétition avec la formation des domaines dans l’abaissement de l’énergie de dépolarisation ; nous étudierons ces aspects fondamentaux pour le contrôle de la polarisation. Nous utiliserons la microscopie/spectroscopie à force piézoélectrique pour imager les domaines et explorer la contribution complexe des états électrochimique et ferroélectrique qui pourraient même induire un état mixte ferro-ionique. La spectroscopie Raman et l’analyse géométrique de phase à partir d’images TEM de structure atomiques seront comparées à la diffraction de rayons X pour étudier la contrainte dans les nanostructures. Nous développerons aussi des méthodologies de microscopie électronique en transmission avancée pour cartographier la direction et l’amplitude de la polarisation à l’échelle nanométrique afin de comprendre les effets des conditions aux limites et de la forme des nanostructures sur la distribution de la polarisation (fermeture de flux, vortex). Enfin, nous nous intéresserons à la durée du renversement de la polarisation de nanostructures ferroélectriques par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde et diffraction de rayons X ultrarapide avec une source plasma de laboratoire ou avec le rayonnement synchrotron de Bessy II. Par ailleurs, la formation et le renversement de domaines seront étudiés par MET in situ sous champ électrique appliqué. Cette approche menée au CEMES avec un microscope dédié est à la frontière du développement technologique actuel et n’a jamais été démontrée sur des ferroélectriques sur semiconducteur. Le couplage de l’in situ TEM et de la diffraction ultra rapide contribuera de façon unique à la connaissance de la dynamique des films et nanostructures de BaTiO3.

Pour conclure, nous souhaitons traiter de sujets à la frontière de la connaissance actuelle sur la ferroélectricité à l’échelle nanométrique sur Si avec l’espoir de faire des découvertes marquantes. Par ailleurs, les nanostructures étudiées dans FEAT constituent les briques élémentaires de nombreuses applications potentielles en nanoélectronique et en photonique intégrée.

BEOLAR Projet-ANR-20-CE24-0008       Mars 2021/Février 2025

  • GREMAN Matériaux, Microélectronique, Acoustique, Nanotechnologies
  • CEMES Centre d’Elaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales
  • SPEC Service de physique de l’état condensé
  • STMicroelectronics (Tours) SAS STMICROELECTRONICS (TOURS) SAS

Les technologies émergentes de communication (5G, NFC) nécessitent des varactors à film ferroélectrique (FE) affiné pour fonctionner à des fréquences plus élevées ou des tensions plus faibles. La « couche morte » FE d’interface et un courant de fuite accru limitent cette évolution. Des calculs ab initio récents montrent, aux interfaces pérovskites électrode/FE, l’influence des disparités chimiques, polaires et structurales sur la stabilisation de la polarisation et la hauteur de barrière Schottky (SBH). Dans le projet BEPOLAR (Université de Tours, Porteur du projet), nous proposons une ingénierie systématique de l’interface utilisant le dépôt par ablation laser combinatoire. L’investigation locale par spectroscopies et microscopies avancées d’interfaces chimiquement modulées, associée à des calculs DFT (partenaires CEMES & CEA/SPEC), conduira à l’identification de matériaux optimisés (couche morte FE minimale et SBH accrue), ainsi qu’à la compréhension des mécanismes physiques et chimiques sous-jacents. Les meilleures interfaces seront testées dans des varactors industriels (ST Tours).

PUBLICATIONS

Ensemble des publications du groupe MEM via Hal.

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