Intégration hétérogène d’oxydes fonctionnels par micro-transfert printing (μTP)

CONTEXT
Le micro transfert printing (μTP) est une technique de micro-assemblage émergente qui permet de transférer des microstructures (semi-conducteurs, composants optoélectroniques, circuits passifs, etc.) d’un substrat donneur vers un substrat receveur, avec une grande précision spatiale. Cette technologie est particulièrement bien adaptée à l’intégration hétérogène, c’est-à-dire à l’assemblage de matériaux ou de composants très différents sur un même support [1]. Une des caractéristiques de la technologie repose sur la préparation du substrat source et notamment de la couche sacrificielle qui permet de libérer le composant à transférer.
Les oxydes fonctionnels, oxydes cristallins de métaux de transition aux nombreuses propriétés remarquables (ferroélectriques, piézoélectriques, ferromagnétiques, électro-optiques, thermoélectriques,…), permettent d’adresser de nombreuses applications clefs (mémoires non volatiles basse consommation, modulateurs électro-optiques ultra-rapides, capteurs ultra-sensibles, actuateurs, refroidisseurs, générateurs,...). Cependant, un déploiement de dispositifs d’oxydes fonctionnels sur des plateformes technologiques industrielles reste limité à cause de certains verrous. La plupart des dispositifs adressant ces applications nécessitent d’une part des couches minces épitaxiées (contrôle de l’orientation cristalline, souvent sur des substrats monocristallins particuliers qui ne sont pas compatibles avec une production à l’échelle industrielle), et d’autre part des couches minces micro/nano-structurées (circuits photoniques, électroniques, thermoélectriques,…).
Afin de dépasser les verrous actuels, une des pistes prometteuses à étudier est d’utiliser des couches épitaxiées d’oxydes sacrificiels solubles dans l’eau [2-6] qui permettraient, par micro-transfert printing (μTP), le détachement/report de micro/nano-structures d’oxydes fonctionnels sur un substrat technologique de choix. Ainsi, des dispositifs avancés à base d’oxydes fonctionnels pourraient être fabriqués. Cette thèse a pour ambition de développer les premières briques pour ouvrir cette voie innovante.

OBJECTIFS
Nous souhaitons développer et démontrer la faisabilité générique de ce procédé innovant en ciblant des couches d’oxydes fonctionnels de structure pérovskite (de formule chimique générale ABO3) et leur report par μTP sur des substrats technologiques de choix pour différentes applications dans les domaines de la photonique (oxydes ferroélectriques) et de l’énergie (oxydes thermoélectriques). Le procédé envisagé, ainsi que les objectifs ciblés sont décrits ci-après :
1. Elaboration par MBE de couches épitaxiées d’oxydes sacrificiels solubles à l’eau (e.g. SrO)
2. Reprise de croissance épitaxiale d’oxydes fonctionnels de structure pérovskite (e.g. BaTiO3)
3. Détachement et report par micro-transfert printing (μTP) sur SOI ou SiO2/Si
4. Fabrication de micro-dispositifs d’oxydes fonctionnels intégrés

SAVOIR-FAIRE INL
- Croissance épitaxiale par MBE de SrO sur SrTiO3(001) [7]
- Croissance épitaxiale par MBE de BaTiO3 ferroélectrique [8]
- Croissance épitaxiale par MBE de Sr1-xLaxTiO3 thermoélectrique [9]
- Détachement et report par μTP de lasers à cascade sur Si [10]

REFERENCES

[1] G. Roelkens et al., IEEE J. of Selected topics in quantum eln, 29, No 3 (2023); https://ieeexplore.ieee.org/document/9953528
[2] D. Lu et al., Nature Mater. 15, 1255 (2016) ; https://doi.org/10.1038/nmat4749
[3] D. Ji et al., Nature 570, 87 (2019) ; https://doi.org/10.1038/s41586-019-1255-7
[4] D. Pesquera et al., J. Phys. : Condens. Matter. 34, 383001 (2022) ; https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac7dd5
[5] F.M. Chiabrera et al., Ann. Phys. 534, 9, 2200084 (2022) ; https://doi.org/10.1002/andp.202200084
[6] S. Varshney et al., ACS Nano 18, 8, 6348 (2024) ; https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11192
[7] G. Delhaye, Thèse de doctorat, ECL (2006) ; https://theses.fr/2006ECDL0045
[8] L. Mazet et al., J. Appl. Phys. 116, 214102 (2014) ; https://doi.org/10.1063/1.4902165
[9] M. Apreutesei et al., Sci. Technol. Adv. Mater. 18, 430 (2017); https://doi.org/10.1080/14686996.2017.1336055
[10] Y. Billiet et al., Advanced Photonics Congress (2025); https://doi.org/10.1364/IPRSN.2025.ITh3B.5

L’INL a pour vocation de développer des recherches technologiques multidisciplinaires dans le domaine des micro et nanotechnologies et de leurs applications. Les recherches menées s’étendent des matériaux aux systèmes, laboratoire s’appuie sur la plate-forme technologique lyonnaise NanoLyon.

Les domaines d’application couvrent de grands secteurs économiques : l’industrie des semiconducteurs, les technologies de l’information, les technologies du vivant et de la santé, l’énergie et l’environnement.
Le laboratoire est multi-sites avec des localisations sur les campus d’Ecully et de Lyon-Tech La Doua. Il regroupe environ 200 personnes dont 121 personnels permanents. L’INL est un acteur majeur du Pôle de Recherche et d’Enseignement.

SITES ET REPARTITION DU TEMPS (labo/entreprise) :
- 80% à l’INL ; https://inl.cnrs.fr/
Site Ecole Centrale de Lyon (Ecully) : croissance, caractérisations structurales et physiques
Site Doua (Villeurbanne) : micro-transfert printing (μTP)
- 20% à SET (74490 Saint-Jeoire) ; https://set-sas.fr/

Compétences requises/souhaitées et motivations
- Master 2 (M2 ou équivalent) en physiques, sciences de matériaux, nanotechnologies,….
- Intérêt pour la recherche expérimentale pluridisciplinaire en science des matériaux
- Expérience en croissance épitaxiale, caractérisations structurales, ou microfabrication
- Etre proactif et motivé par la recherche collaborative en environnement salle blanche
- Bonnes compétences de communications, et être à l’aise en anglais