Oxydes ferroélectriques Dion-Jacobson bidimensionnels : des matériaux aux dimensions réduites pour améliorer les fonctionnalités // 2D Dion-Jacobson ferroelectric oxides: reduced dimensionality materials for enhanced properties

Les ferroélectriques sont des matériaux qui présentent une polarisation spontanée qui peut être retournée par l'application d'un champ électrique. Cette bistabilité permet leur utilisation sous forme de films minces dans des mémoires informatiques. Pendant longtemps, la communauté scientifique a pensé que la ferroélectricité n'existait pas dans des films ultra-minces (2D) de ferroélectriques. Or la possibilité de diminuer la taille des ferroélectriques dans des dispositifs électroniques est d'un très grand intérêt (miniaturisation, propriétés exaltées ou nouvelles) pour des applications mémoires. Les progrès récents ont cependant montré que la ferroélectricité peut exister dans des couches 2D, inférieures à 10nm, ou apparaître par la réduction de la taille des matériaux massifs non-ferroélectriques. Ce projet propose d'utiliser cette approche pour démontrer, de façon robuste, l'existence de la ferroélectricité dans des nanofeuillets oxydes, plus simples à synthétiser que des couches 2D, et de développer une meilleure compréhension des mécanismes qui y donnent naissance afin de proposer de nouveaux matériaux ferroélectriques. Les nanofeuillets d'oxydes sont des objets 2D de quelques nanomètres d'épaisseur, obtenus en exfoliant des structures 3D lamellaires, telles que les phases Dion-Jacobson. Des indications de propriétés ferroélectriques locales ont été observées récemment dans des nanofeuillets Dion-Jacobson. Cependant, les caractérisations rapportées sont ponctuelles et le mécanisme de ferroélectricité n'est pas élucidé. Ce projet propose la synthèse systématique de nanofeuillets de différentes compositions (Ca2Na2Nb5O16, ANb2O7, (A = Bi, Nd, La)) et l'étude de leurs propriétés ferroélectriques globales et locales pour établir la ferroélectricité associée à leur étude structurale, soutenues par des modèles théoriques, pour développer une meilleure compréhension de l'origine de la ferroélectricité. Ce projet permettra la mise en évidence de nouveaux matériaux fonctionnels obtenus par une technique de synthèse compatible avec les dépôts contrôlés de grandes surfaces nécessaires dans l'industrie électronique et qui pourraient ouvrir la voie vers de nouveaux dispositifs électroniques.
Ce projet de recherche implique 3 laboratoires et les compétences spécifiques de 4 chercheurs tous experts en ferroélectricité : Pierre-Eymeric Janolin (Professeur, CentraleSupélec, Saclay, HDR), expert des ferroélectriques et de leurs transitions de phases ; Gianluca Ciatto (Scientifique de ligne, synchrotron SOLEIL, co-encadrant de thèse), expert en caractérisation structurale en particulier sur la détermination de l'environnement local; Charlotte Cochard (Enseignante-Chercheuse, ISCR, co-encadrante de thèse), experte en caractérisations ferroélectriques locales (microscopie à champ proche) et globale (testeur); Valérie Demange (Directrice de recherche CNRS, ISCR, collaboratrice), experte en synthèse et caractérisation structurale des nanofeuillets ferroélectrique.
Le/a doctorant/e sera formé/e et travaillera autant dans les synthèses de matériaux 3D et leurs exfoliations que dans leurs caractérisations structurales et ferroélectriques. Les études structurales plus poussées seront effectuées au synchrotron SOLEIL à Saclay à la ligne de lumière SIRIUS. SIRIUS est optimisée pour les expériences en incidente rasante, ce qui permet une forte sensibilité aux échantillons ultra-minces comme les nanofeuillets (~2-10nm) et permet une étude de la structure globale et locale par la diffraction de rayons X, la spectroscopie d'absorption de rayons X et la spectroscopie en condition de diffraction. Il est à remarquer pour les échantillons sous étude, la capacité de la ligne de lumière de travailler dans le domaine de rayons x tendres et mi-durs (1 – 13 keV) grâce à une optique dédiée et à l'utilisation d'un diffractomètre sous vide. Ces études permettront d'identifier les mécanismes mis en jeu dans la stabilisation de la ferroélectricité.
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Ferroelectric materials exhibit spontaneous polarization that can be reversed by applying an electric field. This bistability allows their use as thin films in computer memories. For a long time, the scientific community believed that ferroelectricity did not exist in ultra-thin (2D) ferroelectric films. However, the possibility of reducing the size of ferroelectrics in electronic devices is of great interest (miniaturization, enhanced or new properties) for memory applications. Recent advances have shown that ferroelectricity can exist in 2D layers thinner than 10nm or emerge by reducing the size of non-ferroelectric bulk materials. This project aims to robustly demonstrate the existence of ferroelectricity in oxide nanosheets, which are easier to synthesize than 2D layers, and to develop a better understanding of the mechanisms that give rise to it in order to propose new ferroelectric materials. Oxide nanosheets are 2D objects a few nanometers thick, obtained by exfoliating 3D lamellar structures, such as Dion-Jacobson phases. Recent observations have indicated local ferroelectric properties in Dion-Jacobson nanosheets. However, the reported characterizations are sporadic, and the mechanism of ferroelectricity is not elucidated. This project proposes the systematic synthesis of nanosheets of different compositions (Ca2Na2Nb5O16, ANb2O7, (A = Bi, Nd, La)) and the study of their global and local ferroelectric properties to establish the ferroelectricity associated with their structural study, supported by theoretical models, to develop a better understanding of the origin of ferroelectricity. This project will highlight new functional materials obtained by a synthesis technique compatible with the controlled depositions of large surfaces required in the electronics industry, potentially leading to new electronic devices.

This research project involves 3 laboratories and the specific expertise of 4 researchers, all experts in ferroelectricity: Pierre-Eymeric Janolin (Professor, CentraleSupélec, Saclay, HDR), an expert in ferroelectrics and their phase transitions; Gianluca Ciatto (Beamline Scientist, SOLEIL synchrotron, co-thesis supervisor), an expert in structural characterization, particularly in determining local environments; Charlotte Cochard (Researcher, ISCR, co-thesis supervisor), an expert in local (near-field microscopy) and global (tester) ferroelectric characterizations; Valérie Demange (CNRS Research Director, ISCR, collaborator), an expert in the synthesis and structural characterization of ferroelectric nanosheets.

The PhD student will be trained and work on both the synthesis of 3D materials and their exfoliation, as well as their structural and ferroelectric characterizations. More in-depth structural studies will be conducted at the SOLEIL synchrotron in Saclay at the SIRIUS beamline. SIRIUS is optimized for grazing incidence experiments, providing high sensitivity to ultra-thin samples like nanosheets (~2-10nm) and allowing the study of global and local structures through X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopy, and diffraction-condition spectroscopy. It is notable that the beamline can operate in the soft and mid-hard X-ray range (1 – 13 keV) thanks to dedicated optics and the use of a vacuum diffractometer for the samples under study. These studies will help identify the mechanisms involved in stabilizing ferroelectricity.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-SIS

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

573 Interfaces : matériaux, systèmes, usages

Master recherche ou formation équivalente en science des matériaux: physique de la matière condensée, physico-chimie, chimie physique, chimie des matériaux. Une connaissance des grands instruments en général et des synchrotrons en particulier serait un plus
Master-level in material science, condensed matter physics, physico-chemistry or chemical physics, or inorganic chemistry. A knowledge or previous experience of large scale facilities in general and of synchrotrons in particular would be a plus