Etude théorique de mémoire à base de matériaux ferroélectrique bidimensionnel // Theoretical study of memory based on two-dimensional ferroelectric materials

La découverte expérimentale récente de matériaux ferroélectriques bidimensionnels (2D) [1] (par exemple : SnTe, α-In₂Se₃, CuInP₂S₆) ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de mémoires non volatiles à faible consommation d'énergie, contrairement aux mémoires OxRAM actuelles. Grâce aux matériaux 2D, l'architecture de la mémoire, appelée jonction tunnel ferroélectrique (FTJ pour Ferroelectric Tunnel Junction), est simple (empilement vertical d'un matériau ferroélectrique entre deux contacts métalliques) et offre des perspectives d'intégration à haute densité, et donc de mise à l'échelle.
Le principe de fonctionnement de ces mémoires repose sur la modulation de la barrière de Schottky. Cette barrière est créée par les contacts métalliques à partir de la polarisation interne du matériau ferroélectrique, qui agit également comme barrière tunnel. Ainsi, en changeant la direction de la polarisation à l'aide d'un champ électrique externe, deux états non volatils peuvent être définis. Ce principe de fonctionnement non destructif confère aux FTJs non seulement une grande endurance, mais aussi des vitesses d'écriture élevées. Des rapports de résistance tunnel électrique (TER) plus élevés sont attendus que ceux observés dans les FTJs basés sur des matériaux tels que HfO₂ [2] et mesurés expérimentalement [3].
L'objectif de la thèse est d'utiliser la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT, Density Functional Theory) [4] pour étudier la structure (relaxation), les propriétés électroniques (structure de bande, polarisation) et le changement de polarisation [5]

Par la suite, l'étude par DFT sera couplée au code de transport NEGF (Non-Equilibrium Green's Function) afin de calculer les caractéristiques courant-tension des mémoires. L'utilisation de simulations NEGF se justifie par les dimensions nanométriques du dispositif et par le rôle crucial que l'effet tunnel peut jouer dans son fonctionnement. Pour cette partie, le code DFT-NEGF [7] (github.com/marcopala/Green-Tea-), développé au sein de notre équipe de recherche, sera utilisé. Des ajouts au code, tels que le couplage du modèle de Landau à l'équation de Poisson, pourraient également être envisagés dans le cadre de cette thèse.
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The recent experimental discovery of ferroelectric 2D materials [1] (for example: SnTe, α-In2Se3, CuInP2S6) is opening new prospects for the development of a non-volatile memory with low energy costs unlike current OxRAMs. Using 2D materials, the memory, called ferroelectric tunnel junction (FTJ), architecture is simple (vertical stacking of ferroelectric between two metal contacts) and offers the prospect of high-density integration and hence of scalability.
The operating principle of these memories is based on modulation of the Schottky barrier. The Schottky barrier is created with the metal contacts from the internal polarisation of the ferroelectric material, which also acts as a tunnel barrier. So, by changing the direction of the polarisation by an external electric field, two non-volatile states can be defined. This non-destructive operating principle means that FTJs have not only high endurance, but also high writing speeds. Higher tunnel electro-resistance ratios are expected than in FTJs based on materials such as HfO2 are expected [2] and measured [3].
The goal of the thesis is to use density functional theory (DFT) [4] to study the structure (relaxation), electronic properties (band structure, polarisation) and polarisation change [5] of the ferroelectric material isolated and inside the device. This last point makes it possible to obtain the coercive field of the ferroelectric, which is crucial for the project as it partly determines the speed and power consumption of the device. These results will be used to develop a model based on Landau's theory to describe the polarisation transition as a function of the external electric field. The work will focus on the α-In2Se3 monolayer as this ferroelectric is also under experimental investigation in the laboratory [6].
Then, the DFT study will be coupled with the NEGF (Non-Equilibrium Green's Function) transport code to calculate the current-voltage characteristics of the memory devices. The use of NEGF simulations is justified by the nanometric dimensions of the device and the critical role that tunneling may play in its operation. For this purpose, the DFT-NEGF code [7] (available at github.com/marcopala/Green-Tea-), developed within our research team, will be employed. Potential enhancements to the code, such as coupling the Landau model with the Poisson equation, may also be explored during the thesis
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-SIS

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

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Les candidats doivent être titulaires d'un master en physique, en électronique, en science des matériaux ou dans une discipline apparentée. Nous recherchons des personnes créatives et très motivées, ayant une solide formation et des compétences en recherche scientifique, et capables de collaborer au sein d'une équipe interdisciplinaire. Une expérience en programmation est également souhaitable, mais n'est pas obligatoire. Veuillez joindre votre CV, la liste des cours que vous avez suivis et les résultats des examens passés dans le cadre de votre master, ainsi que toute autre information que vous jugez utile.
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