Étude et modélisation des dynamiques de domaines ferroélectriques et antiferroélectriques dans les condensateurs à base d’oxyde d’hafnium // Investigation and Modeling of Ferroelectric and Antiferroelectric Domain Dynamics in HfO2-Based Capacitors

Le contexte de la thèse s’inscrit dans l’exploration de nouvelles technologies de supercondensateurs et de dispositifs hybrides de stockage d’énergie, visant à concilier miniaturisation, forte densité de puissance et compatibilité avec les procédés microélectroniques. L’expertise du laboratoire d’accueil (LTEI/DCOS/LCRE) en intégration de couches minces et en ingénierie de matériaux diélectriques ouvre aujourd’hui des perspectives inédites pour l’étude des comportements ferroélectriques et antiferroélectriques dans les oxydes d’hafnium dopés.

La thèse portera plus particulièrement sur l’étude expérimentale et la modélisation physique de condensateurs à couches minces d’oxyde d’hafnium (HfO2), dopés de manière à présenter des propriétés ferroélectriques (FE) ou antiferroélectriques (AFE) selon la composition et les conditions de dépôt, par exemple à travers l’incorporation de ZrO2 ou de SiO2. Ces matériaux présentent un fort potentiel pour la réalisation de dispositifs combinant fonctions de mémoire non-volatile et de stockage d’énergie sur une même plateforme CMOS-compatible, ouvrant ainsi la voie à des systèmes autonomes à très faible consommation, tels que les architectures d’edge computing, les capteurs environnementaux ou les objets connectés intelligents.

Le travail de recherche consistera à fabriquer et caractériser des condensateurs métal–isolant–métal (MIM) à base d’HfO2 dopé, intégrés sur substrats silicium, puis à étudier expérimentalement les mécanismes de relaxation des domaines ferroélectriques et antiferroélectriques à partir de mesures courant–tension (I–V) et polarisation–champ électrique (P–E), réalisées sous différentes fréquences, amplitudes et conditions de cyclage. L’analyse des boucles d’hystérésis mineures permettra d’extraire la distribution des énergies d’activation et de modéliser la dynamique de relaxation des domaines ferroélectriques. Un modèle physique sera ensuite élaboré ou adapté afin de décrire les transitions FE/AFE sous excitation électrique cyclique, en tenant compte des phénomènes de piégeage de charges, des contraintes mécaniques et des effets de nucléation et de croissance des domaines.

L’ensemble de ces travaux visera à optimiser la densité d’énergie récupérable et le rendement énergétique global des dispositifs, tout en établissant des critères de conception pour des composants de stockage d’énergie compacts, efficaces et pleinement intégrables dans les technologies silicium. Les connaissances acquises contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes dynamiques régissant le comportement FE/AFE de l’HfO2 dopé et bénéficieront potentiellement à d’autres domaines tels que les mémoires ferroélectriques, la récupération d’énergie et les architectures neuromorphiques à basse consommation.
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The proposed PhD work lies within the exploration of new supercapacitor and hybrid energy storage technologies, aiming to combine miniaturization, high power density, and CMOS process compatibility. The hosting laboratory (LTEI/DCOS/LCRE) has recognized expertise in thin-film integration and dielectric material engineering, offering unique opportunities to investigate ferroelectric (FE) and antiferroelectric (AFE) behaviors in doped hafnium oxide (HfO2).

The thesis will focus on the experimental investigation and physical modeling of thin-film HfO2-based capacitors, intentionally doped to exhibit ferroelectric or antiferroelectric properties depending on the composition and deposition conditions (for instance, through ZrO2 or SiO2 doping). Such materials are particularly attractive for realizing devices that combine non-volatile memory and energy storage functions on a single CMOS-compatible platform, enabling ultra-low-power autonomous systems such as edge computing architectures, environmental sensors, and smart connected objects.

The research will involve the fabrication and characterization of metal–insulator–metal (MIM) capacitors based on doped HfO2 integrated on silicon substrates. Systematic electrical measurements—including current–voltage (I–V) and polarization–electric field (P–E) characterizations—will be carried out under various frequencies, amplitudes, and cycling conditions to investigate the relaxation mechanisms of FE and AFE domains. Analysis of minor hysteresis loops will provide access to the distribution of activation energies and enable the modeling of domain relaxation dynamics. A physical model will be developed or refined to describe FE/AFE transitions under cyclic electrical excitation, incorporating effects such as charge trapping, mechanical stress, and domain nucleation kinetics.

The overall objective is to optimize the recoverable energy density and the energy conversion efficiency of these capacitors, while establishing design guidelines for compact, efficient, and silicon-integrable energy storage devices. The insights gained from this work will contribute to a deeper understanding of the dynamic mechanisms governing FE/AFE behavior in doped HfO2, with potential impact on ferroelectric memories, energy-harvesting devices, and low-power neuromorphic architectures.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Composants Silicium (LETI)
Service : Service Intégrations et Technologies pour les conversions d'énergies
Laboratoire : Laboratoire des Composants pour la RF et l'Energie
Date de début souhaitée : 01-09-2026
Ecole doctorale : Ingénierie - Matériaux - Environnement - Energétique - Procédés - Production (IMEP2)
Directeur de thèse : OUKASSI Sami
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DCOS/SITEC/LCRE
URL : https://www.linkedin.com/in/jacopo-cel%C3%A8-708837189/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Composants Silicium (LETI)
Service : Service Intégrations et Technologies pour les conversions d'énergies

Nanotechnologies; solid-state physics; solid-state devices