Etude in situ de l’impact du champ électrique sur les propriétés des matériaux chalcogénures // In situ study of the impact of the electric field on the properties of chalcogenide materials

Les matériaux chalcogénures (PCM, OTS, NL, TE, FESO …) sont à la base des concepts les plus innovants en micro—électronique allant des mémoires PCM aux nouveaux dispositifs neuromorphiques et spinorbitroniques (FESO, SOT-RAM, etc …). Une partie de leur fonctionnement repose sur une physique hors-équilibre induite par l’excitation électronique résultant de l’application d’un champ électrique intense. La thèse vise à mesurer expérimentalement sur des couches minces de chalcogénures les effets induits par le champ électrique intense sur la structure atomique et les propriétés électroniques du matériau avec une résolution temporelle femtoseconde (fs). Les conditions « in-operando » des dispositifs seront reproduites en utilisant une impulsion THz fs permettant de générer des champs électriques de l'ordre de quelques MV/cm. Les modifications induites seront alors sondées via différents méthodes de diagnostique in situ (spectroscopie optique ou diffraction x et/ou ARPES). Les résultats seront comparés à des simulations ab initio suivant une méthode à l’état de l’art développée avec l’Université de Liège. Au final la possibilité de prévoir la réponse des différents alliages chalcogénures aux échelles de temps fs sous champ extrême permettra d’optimiser la composition et les performances des matériaux (effet de switch e-, électromigration des espèces sous champ, etc …) tout en apportant une compréhension des mécanismes fondamentaux sous-jacents liant excitation électronique, évolution des propriétés sous champ et structure atomique de ces alliages.

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Chalcogenide materials (PCM, OTS, NL, TE, FESO, etc.) are the basis of the most innovative concepts in microelectronics, from PCM memories to the new neuromorphic and spinorbitronic devices (FESO, SOT-RAM, etc.). Part of their operation relies on out-of-equilibrium physics induced by the electronic excitation resulting from the application of an intense electric field. The aim of this thesis is to measure experimentally on chalcogenide thin films the effects induced by the intense electric field on the atomic structure and electronic properties of the material with femtosecond (fs) time resolution. The 'in-operando' conditions of the devices will be reproduced using a THz fs pulse to generate electric fields of the order of a few MV/cm. The induced changes will then be probed using various in situ diagnostic methods (optical spectroscopy or x-ray diffraction and/or ARPES). The results will be compared with ab initio simulations using a state-of-the-art method developed with the University of Liège. Ultimately, the ability to predict the response of different chalcogenide alloys on time scales fs under extreme field conditions will make it possible to optimise the composition and performance of the materials (e- switch effect, electromigration of species under field conditions, etc.), while providing an understanding of the underlying fundamental mechanisms linking electronic excitation, evolution and the properties of the chalcogenide alloys.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département des Plateformes Technologiques (LETI)
Service : Service des procédés de Dépôts
Laboratoire : Laboratoire
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Ingénierie - Matériaux - Environnement - Energétique - Procédés - Production (IMEP2)
Directeur de thèse : NOE Pierre
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DPFT/SDEP/LDJ
URL : https://www.researchgate.net/profile/Pierre-Noe
URL : https://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/Accueil.aspx
URL : https://www.researchgate.net/profile/Jean-Yves-Raty-2

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département des Plateformes Technologiques (LETI)
Service : Service des procédés de Dépôts

Master2 Physique, Matériaux