Thèse Croissance de Nanomatériaux d'Oxydes Ferroïques par Épitaxie de Van Der Waals pour des Applications Microélectroniques H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Picardie - Jules Verne École doctorale : Sciences, Technologie, Santé Laboratoire de recherche : LPMC - Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Direction de la thèse : Mimoun EL MARSSI Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-26T23:59:59 La croissance rapide des technologies mobiles et de l'Internet des objets (IoT) entraîne une demande croissante en sources d'énergie portables, fiables, durables et respectueuses de l'environnement. Dans ce contexte, l'exploitation des propriétés multifonctionnelles des matériaux ferroïques suscite un grand intérêt pour de nombreuses applications, notamment dans les systèmes électroniques autonomes. L'un des défis majeurs actuels consiste à intégrer directement des nanomatériaux ferroïques sur des supports flexibles et à faible coût, sans recourir à des procédés d'exfoliation complexes susceptibles d'altérer leurs propriétés intrinsèques.
Ce projet de thèse vise à développer des nanostructures flexibles à base d'oxydes ferroïques sans plomb (BiFeO, BaTiO, NaNbO, etc.) en exploitant le concept d'épitaxie de van der Waals (vdW). L'objectif est d'élaborer, par ablation laser pulsée (PLD), des films minces et des hétérostructures de haute qualité cristalline sur des substrats flexibles de mica ainsi que sur des substrats de silicium compatibles avec la technologie CMOS. En effet, le mica se distingue par sa surface atomiquement lisse, sa grande stabilité chimique et sa résistance aux hautes températures, ce qui favorise la croissance épitaxiale de films minces d'oxydes tout en préservant leurs propriétés fonctionnelles. Sur silicium, l'intégration des oxydes sera facilitée par l'insertion d'une couche bidimensionnelle d'oxyde de graphène réduit (rGO), jouant le rôle de couche intermédiaire afin de limiter les réactions chimiques à l'interface et de favoriser une croissance cristalline contrôlée. Dans ces architectures, le matériau fonctionnel sera relié au substrat par de faibles interactions de van der Waals, ce qui permet de réduire les contraintes mécaniques et les désaccords de paramètres de maille. Cette approche limite ainsi l'influence du substrat, souvent responsable d'une dégradation des propriétés piézoélectriques lorsque les matériaux sont déposés sur des supports rigides. Une caractérisation multi-échelle sera réalisée à l'aide de techniques avancées telles que la diffraction des rayons X à haute résolution (DRX), la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie électronique en transmission (TEM), la spectroscopie Raman, la microscopie à force piézoélectrique (PFM), ainsi que des mesures diélectriques et ferroélectriques. Ces analyses permettront d'établir des corrélations précises entre la structure cristalline, l'organisation des domaines ferroélectriques et les performances piézoélectriques des matériaux. Le sujet de thèse proposé s'inscrit dans le cadre de la thématique oxydes complexes fonctionnels (OCF) du LPMC à savoir la conception et le développement de nouveaux matériaux fonctionnels pour la production et le stockage d'énergie, en s'appuyant sur des méthodes et outils à la pointe de la technologie, depuis la fabrication et la nanostructuration des matériaux jusqu'à leur modélisation, en passant par une large gamme de techniques de caractérisation. Le sujet de thèse proposé constitue la continuité des travaux réalisés au laboratoire ces dernières années sur les thématiques liées à la conversion et au stockage d'énergie dans les matériaux fonctionnels [1-4]. La particularité de ce projet réside dans l'intégration d'oxydes ferroélectriques de haute qualité cristalline sur des supports compatibles avec l'industrie, tels que le silicium et le mica. Cette approche constitue un défi scientifique majeur, et représente à la fois une première au laboratoire et, à l'échelle régionale, une avancée significative dans le domaine de l'intégration de matériaux fonctionnels pour la microélectronique et les dispositifs autonomes. En effet, l'intégration de films minces d'oxydes ferroélectriques sur des substrats rigides est souvent limitée par la dégradation des propriétés piézoélectriques, principalement due au désaccord de maille cristalline et aux différences de coefficients de dilatation thermique entre le film et le substrat. Afin de pallier ces limitations, nous proposons d'explorer l'épitaxie de van der Waals (vdW), qui repose sur des interactions interfaciales faibles [5-14]. Par exemple, grâce à sa structure lamellaire, le mica, caractérisé par des surfaces dépourvues de liaisons chimiques non saturées, favorise un contact de type vdW entre le nanomatériau déposé et le substrat. Ce mode de croissance permet de réduire significativement les contraintes liées au substrate clamping, entraînant ainsi une amélioration notable de la réponse piézoélectrique. Parallèlement à cette approche orientée vers l'électronique flexible, l'intégration d'oxydes fonctionnels sur silicium représente un enjeu majeur pour les dispositifs microélectromécaniques (MEMS) et l'électronique compatible CMOS [15-18]. Une stratégie prometteuse consiste à insérer une couche 2D, telle que des nano-feuillets d'oxyde de graphène réduit (rGO), entre le silicium et l'oxyde fonctionnel. À l'instar du mica, cette couche de rGO peut agir comme une couche tampon stable, favorisant une croissance guidée par interactions de van der Waals tout en limitant les réactions chimiques indésirables à l'interface.
[1] Z. Hanani, J. Belhadi, N. Daneu, et al, Journal of Materials Chemistry C, 2025.
[2] J. Belhadi, F. Ravaux, H. Bouyanfif, M. Jouiad, M. El Marssi, Applied Surface Science, 512, 145761 (2020).
[3] J. Belhadi, S. Yousfi, M. El Marssi, et al., Journal of Physics: Condensed Matter, 32 (13), 135301 (2020).
[4] M. Benyoussef, J. Belhadi, A. Lahmar, M. El Marssi, Materials Letters, 234, 279-282, 2019.
[5] Y. Bitla and Y.-H. Chu, FlatChem, 2017, 3, 26-42.
[6] W. Gao et al., Advanced Electronic Materials, 2017, 3, 1600542.
[7] L. Shu et al., Phys. Rev. B, 2022, 106, 024108.
[8] J. H. Lee et al., Ultramicroscopy, 2008, 108, 1106-1109.
[9] M. Detalle et al., Journal of Crystal Growth, 2007, 305, 137-143.
[10] D. Wang et al., Nano Energy, 2018, 43, 351-358.
[11] K.-I. Park et al., Nano Lett., 2010, 10, 4939-4943.
[12] S. S. Won et al., Appl. Phys. Lett., 2016, 108, 232908.
[13] V. Nagarajan et al., Nature Mater, 2003, 2, 43-47.
[14] Y. F. Hou et al., Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17, 11593-11597.
[15] R. A. McKee, F. J. Walker, M. F. Chisholm, Phys. Rev. Lett., 1998, 81, 3014-3017.
[16] J. W. Reiner, F. J. Walker, C. H. Ahn, Science, 2009, 323, 1018-1019.
[17] C. J. Först, C. R. Ashman, K. Schwarz, P. E. Blöchl, Nature, 2004, 427, 53-56.
[18] S. H. Baek et al., Science, 2011, 334, 958-961.

Le candidat(e) doit être titulaire d'un Master en physique, en science des matériaux ou dans un autre domaine étroitement lié. Il/elle doit avoir une connaissance approfondie de la physique de la matière condensée et un intérêt pour le travail expérimental. Les travaux de recherche seront menés en collaboration avec des équipes nationales et internationales. La maîtrise de l'anglais (oral et écrit), ainsi que de bonnes compétences en communication, seront fortement appréciées chez le/la candidat(e). Des connaissances en croissance de couches minces par PLD et de bonnes connaissances en programmation, par Matlab ou python, sont appréciables.

• Science des matériaux