Pilotage des oxydes multifonctionnels par ingénierie de contrainte : de la croissance à l'électronique flexible // Tuning multifunctional oxides electronic properties by engineering of strain: from growth to flexible electronics

L'électronique de demain sera, à la fois, très fine, nomade, de faible consommation, compacte, écologique, flexible … donc portable. Il sera en rupture avec les concepts qui gouvernent celui actuel basé sur des semi-conducteurs comme le silicium, qui arrive à ses limites fondamentales, c.-à-d. 'au-delà du CMOS'. Avec la révolution du graphène dans laquelle les matériaux de van der Waals (vdW) explorent la dimension flexible, il y a maintenant un boom des recherches combinant ces deux caractères des oxydes : leur multiples propriétés exceptionnelles (métallique ou isolant, ferroélectrique ou ferromagnétique et même le multiferroïque mixte) et leur épitaxie sur une couche sacrificielle (SL), par exemple. Après une gravure sacrificielle dans l'eau de cette couche, on peut libérer des membranes d'épaisseur nanométrique autonomes d'intérêt. Ces technologies peuvent être transférées sur des technologies de silicium à faible coût, ou simplement utilisées pour ajuster la contrainte appliquée dans l'électronique innovante et flexible. Encore plus, on peut imaginer des appareils électroniques intelligents portables qui vont révolutionner les capteurs de médecine.
Cette révolution, donc existante, ne sera possible que si les propriétés du matériau ciblé restent stables dans la déformation cyclée continue et réversible, par exemple dans le mouvement humain. Et le contraire, la gestion d'une tache réversible continue sur la membrane avec la capacité d'explorer les propriétés du matériau sous la contrainte operando avec une amplitude plus élevée que la contrainte numérisée du substrat épitaxial, généralement défavorable en raison de l'inadéquation des réseaux qui détruisent les propriétés ciblées.

L'objectif de cette thèse expérimentale est de développer une procédure robuste pour libérer des membranes flexibles d'oxydes fonctionnels de référence tels que le composé binaire métal/isolant VO2. Ensuite, la réalisation de porte-échantillons pour mise sous contraintes mécaniques continues, adaptés aux mesures en laboratoire (transport électrique, magnétisme,). Etudes de spectroscopies de photoélectrons (XPS, UPS, LEIS (Low Energy Ion Scattering) and REELS avec l'équipe co-encadrante EPI ILV sur le campus UVSQ. Plusieurs investigations utilisant des installations à grande échelle telles que le rayonnement synchrotron dans le synchrotron SOLEIL par exemple seront également menées dans ce travail de thèse. Nous étudierons spécifiquement la transition métal/isolant se produisant dans VO2 proche de la température du corps humain, mais aussi les phases V2O3 et V3O5 sous traitements thermiques et sous atmosphères gazeuses [4,5]. Plusieurs stratégies de transfert sur des substrats flexibles par l'utilisation d'une couche épitaxiale sacrificielle sont à l'étude. Soit la croissance directe par épitaxie vdW, soit l'utilisation de nouveaux matériaux SL tels que les pérovskites SrVO3 [6,7]. La perspective finale de cette thèse est donc de réaliser un capteur à base flexible, afin d'ouvrir une voie vers un transfert industriel à faible coût.
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The electronics of tomorrow will be, at the same time, nomadic, of low consumption, compact, eco-compatible, flexible … and so wearable. Its will be in break with the concepts governing current one based on semi-conductors as silicon, which arrives at its fundamental limits, i.e. 'beyond the CMOS'. Functional oxides structures open a new research field, so-called “oxitronics”, allowing to integrate new properties (metallic or insulating, ferroelectric or ferromagnetic and even the mixed multiferroïc) into devices. The whole in the nanometric and controllable characteristic interaction lengths by external stimuli (electric or magnetic field, light, strain and so on). Due to their strong correlation, many material couplings indeed exist between the various degrees of freedom: orbital, charge, spin; with major fundamental and applied results.
Together with the graphene revolution in which van der Waals materials explore the flexible dimension , there is now a booming of research investigations combining both multifunctionalities of oxides and their epitaxy onto a sacrificial template for instance. After a sacrificial etching in water of this layer, one can release freestanding nanometric thick membranes of interest . These can be transfer onto low-cost silicon technologies, or simply use to tune the applied strain in flexible electronics. Even more, one can imagine wearable smart electronics, which will revolution medicine sensors.

The goal of this experimental PhD is to develop a robust procedure to liberate flexible membranes of reference multifunctional oxides such as the binary metal/insulator VO2 compound, other oxidized phases V2O3 and V3O5 [4,5]. Then ad-hoc continuous stain setup adapted to laboratory measurements (x-ray diffraction (XRD), electrical transport and magnetism,) will help to performed studies under operando strain changes. Several investigations using large-scale facilities such as synchrotron radiation in SOLEIL synchrotron for instance will also be conducted in this thesis work. While we will specifically study the metal/insulator transition occurring in VO2 closed to human body temperature. End perspective of this PhD is thus to realize flexible based sensor, in order to open a pathway to low cost industrial transfer.

The successful candidate will join the MultiFunctional Materials Physics (P2MF) team of GEMaC laboratory. The team is specialized in pulsed laser deposition (PLD) of oxide thin films but also to handle many characterizations of these materials using different setups available in our laboratory (https://www.gemac.uvsq.fr/): XRD, atomic force microscopy (AFM), electrical transport, ellipsometry, optical transmission, and magnetometry. PhD will be co-supervised with the Électrochimie et Physicochimie aux interfaces (EPI) team of Institute Lavoisier de Versailles (ILV), expert in x-ray photoelectron spectroscopies (PES).
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-SIS*Autre type de financement

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

573 Interfaces : matériaux, systèmes, usages

Avec un Master récent (ou presque validé) et une solide expérience en «sciences des matériaux» et en «physique et chimie à l'état solide», nous recherchons des candidats très motivés, créatifs et enthousiastes à l'idée de travailler dans des équipes interdisciplinaires. Anglais (lire, écrire). Si intérêt ou question pour ce projet, n'hésitez pas à nous écrire. Avec votre CV, questions et/ou motivations.
With a recent Master's degree or close to its completion with a strong background in both “material sciences” and “solid state physics and chemistry, we are looking for candidates who are self-driven highly motivated, creative, and excited to work in interdisciplinary teams. English language (read, write). If you are interested or have a question about this project, please write to us. With your CV, and question and/or motivations.