Ingénierie de la croissance des nanostructures de VO₂ pour la nanoélectronique neuromorphique // Engineering the growth of VO₂ nanostructures for neuromorphic nanoelectronics

Ce sujet de thèse est proposé à l'Université de Limoges, au sein de l'institut XLIM (CNRS UMR 7251) et de l'Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER, CNRS UMR 7315). Il s'inscrit dans le cadre d'une collaboration de long terme entre ces deux laboratoires. L'IRCER dispose d'un savoir-faire reconnu en cristallographie, en analyse structurale par diffraction des rayons X, ainsi qu'en développement d'outils avancés de traitement de données. XLIM apportera son expertise en synthèse de matériaux fonctionnels et en microfabrication de dispositifs, notamment en environnement de salle blanche, permettant une intégration complète depuis l'élaboration jusqu'à la caractérisation électrique des structures.

* Contexte et enjeux
Le dioxyde de vanadium (VO₂) constitue un matériau de premier plan pour les applications en électronique neuromorphique, en raison de sa transition métal–isolant (MIT) réversible et abrupte. Néanmoins, son intégration dans des dispositifs fiables et reproductibles reste limitée par une forte variabilité de ses propriétés physiques, directement liée à sa microstructure.
Dans ce contexte, ce projet de thèse vise à lever ces verrous en adoptant une approche de science des matériaux fondamentale. Il repose sur une comparaison systématique entre deux morphologies contrastées : les couches minces continues, généralement polycristallines et/ou contraintes, et les nanofils monocristallins, susceptibles de présenter des propriétés intrinsèques mieux maîtrisées.

* Objectifs scientifiques et méthodologie
L'originalité du projet repose sur une approche comparative menée en parallèle, visant à établir des corrélations fines entre mécanismes de croissance, états de contrainte et propriétés de transport électronique.
Les couches minces seront élaborées par pulvérisation cathodique magnétron, tandis que les nanofils seront synthétisés par croissance de type VLS (Vapor–Liquid–Solid), l'ensemble des procédés étant mis en œuvre en environnement de salle blanche.
Le cœur du projet porte sur la maîtrise de l'épitaxie et du contrôle morphologique. Des stratégies originales seront développées pour piloter l'alignement, la densité et l'organisation spatiale des nanofils, notamment via l'utilisation de substrats monocristallins, de surfaces vicinales (substrats légèrement désorientés générant des marches atomiques) et de surfaces structurées par gravure. L'enjeu est d'exploiter la topographie de surface, en particulier les marches atomiques, comme levier pour guider et contraindre l'alignement spatial des nanofils.
Une étude systématique permettra de comparer les propriétés des films minces et des nanofils, en mettant particulièrement l'accent sur l'impact de la cristallinité et des contraintes sur des paramètres clés tels que la largeur d'hystérésis de la transition, la tension de seuil et la robustesse en cyclage (fatigue des dispositifs).

* Profil recherché
Étudiant(e) disposant de solides bases en science des matériaux et en cristallographie. Un intérêt marqué pour le travail expérimental est indispensable, notamment en croissance sous vide, diffraction des rayons X et microscopie électronique.

* Salaire et durée du contrat
Le contrat doctoral est prévu pour une durée de trois ans à compter du 1er octobre 2026. Le salaire brut mensuel est d'environ 2300 €.
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This PhD project is proposed at the University of Limoges within XLIM (CNRS UMR 7251) and IRCER (CNRS UMR 7315). It is part of a long-standing collaboration between the two laboratories.
IRCER has internationally recognized expertise in crystallography, structural analysis by X-ray diffraction, and the development of advanced data-processing tools. XLIM will contribute its expertise in the synthesis of functional materials and device microfabrication, particularly in cleanroom environments, enabling a complete approach from material growth to electrical characterization of the fabricated structures.
* Background and Scientific Challenges
Vanadium dioxide (VO₂) is considered a key material for neuromorphic electronics owing to its sharp and reversible metal–insulator transition (MIT). However, its integration into reliable and reproducible devices remains limited by the strong variability of its physical properties, which is directly linked to its microstructure.
In this context, the objective of this PhD project is to address these limitations through a fundamental materials science approach. The work will rely on a systematic comparison between two contrasting morphologies: continuous thin films, generally polycrystalline and/or strained and single-crystalline nanowires, which are expected to exhibit better-controlled intrinsic properties.
* Scientific Objectives and Methodology
The originality of the project lies in a parallel comparative approach aimed at establishing detailed correlations between growth mechanisms, strain states and electronic transport properties.
Thin films will be deposited by magnetron sputtering, while nanowires will be synthesized using a Vapor – Liquid - Solid (VLS) growth process. All fabrication steps will be carried out in a cleanroom environment.
The core of the project focuses on mastering epitaxy and morphological control. Original strategies will be developed to control the alignment, density, and spatial organization of the nanowires, notably through the use of single-crystal substrates, vicinal surfaces (slightly miscut substrates generating atomic steps), and lithographically patterned surfaces. The objective is to exploit surface topography, particularly atomic steps, as a means to guide and constrain the spatial alignment of the nanowires.
A systematic study will be conducted to compare the properties of thin films and nanowires, with particular emphasis on the influence of crystallinity and strain on key parameters such as transition hysteresis width, threshold voltage and cycling robustness.
* Candidate Profile
Applicants should have a strong background in materials science and crystallography. A strong interest in experimental work is essential, particularly in vacuum-based growth techniques, X-ray diffraction and electron microscopy.
* Salary and Contract Duration
The PhD contract is expected to start on October 1st, 2026, for a duration of three years. The gross monthly salary will be approximately €2300.
* Contacts
Jean-Christophe Orlianges: jean-christophe.orlianges@unilim.fr
Alexandre Boulle: alexandre.boulle@cnrs.fr
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Limoges

653 Sciences et Ingénierie

Étudiant(e) disposant de solides connaissances en science des matériaux, cristallographie et physique du solide. Un fort intérêt pour le travail expérimental est indispensable notamment pour la synthèse de matériaux et les techniques de caractérisation structurale et microstructurale.
Applicants should have a strong background in materials science, crystallography, and solid-state physics. A strong interest in experimental research is essential, particularly in materials synthesis and structural/microstructural characterization techniques.