Croissance de couches minces d'oxydes fonctionnels par la combinaison des techniques HiPIMS et GIFAD Haute-Pression // Growth of thin layers of functional oxides by the combination of HiPIMS and High-Pressure GIFAD

Sous forme de couches ultrafines, les matériaux peuvent présenter des propriétés intéressantes qui diffèrent de celles des matériaux massifs. Au-delà des applications potentielles rendues possibles par ces propriétés, décrire et comprendre les mécanismes de formation de ces couches ultrafines et leur impact sur les propriétés (structurelles, électroniques, optiques, etc.) représente un défi fondamental. Pour atteindre cet objectif, il est essentiel de pouvoir surveiller le processus de croissance en temps réel et de décrire ses paramètres clés (vitesse et mode de croissance, morphologie et structure cristalline, niveau de contrainte) avec une grande sensibilité. Pour le dépôt sous vide, la diffraction des électrons à haute énergie à incidence rasante (RHEED) répond assez bien à cette condition ; la RHEED est largement utilisée pour surveiller l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) et son utilisation a été étendue au dépôt par laser pulsé (PLD). Néanmoins, en raison des champs électromagnétiques présents dans la zone de dépôt, la RHEED est incompatible avec le dépôt par pulvérisation plasma magnétron. Cependant, ce mode de dépôt est devenu une technologie mondiale pour produire une grande variété de nanostructures en couches minces, des métaux aux oxydes et aux matériaux 2D.
Nous avons développé une nouvelle technique d'analyse de surface exploitant la diffusion quantique d'atomes d'hélium avec une énergie d'environ keV. Appelée GIFAD (Grazing Incidence Fast Atom Diffraction), cette technique est une alternative/un complément avantageux à la RHEED, car elle offre une bien meilleure sensibilité de surface et fournit des informations plus riches sur la structure cristallographique et la dynamique de croissance. Dans une nouvelle configuration, la technique GIFAD peut désormais fonctionner à des pressions allant jusqu'à 10^-2 mbar, ce qui permet de l'utiliser pour les modes de dépôt fonctionnant à « haute pression » (PLD réactive, CVD, pulvérisation magnétron). Les résultats préliminaires obtenus dans une chambre de dépôt HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering, une variante de la pulvérisation magnétron plasma) sont encourageants. L'objectif du stage est de progresser dans les mesures en temps réel appliquées à la croissance de couches minces d'oxydes (TiO2, VO2) par dépôt réactif (en présence d'oxygène), mais aussi de matériaux 2D (dichalcogénures de métaux de transition). Nous nous concentrerons en particulier sur la résolution de la dynamique de croissance à un stade précoce à l'interface et sur l'influence des paramètres de dépôt (puissance et durée des impulsions, pression d'oxygène, tension d'accélération des ions pulvérisés, etc. ). Le HiPIMS étant particulièrement favorable à la croissance épitaxiale, la caractérisation en temps réel rendue possible par le GIFAD devrait faciliter l'optimisation des paramètres de dépôt et permettre d'obtenir des couches minces présentant des propriétés structurelles optimales.
Ce projet s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'ISMO et le LPGP (Laboratoire de physique des gaz et des plasmas, Université Paris-Saclay) et bénéficie du soutien du CNRS à travers le programme Prématuration.
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In the form of ultrathin layers, materials can show interesting properties that are different from those of the bulk. Beyond the potential applications enabled by these properties, describing and understanding the mechanisms of formation of these ultrathin layers and their impact on the properties (structural, electronic, optical, etc.) represents a fundamental challenge. To achieve this goal, it is essential to be able to monitor the growth process in real time and to describe its key parameters (growth rate and mode, morphology and crystalline structure, strain level) with high sensitivity. For vacuum deposition, high-energy electron diffraction at grazing incidence (RHEED) meets this condition quite well; RHEED is widely used to monitor molecular beam epitaxy (MBE) and its use has been extended to Pulsed Laser Deposition (PLD). Nonetheless, because of the electromagnetic fields present in the deposition zone, RHEED is incompatible with deposition by magnetron plasma sputtering. However, this mode of deposition has become a worldwide technology for producing a wide variety of nanostructures in thin layers, from metals to oxides and 2D materials.
We have developed a new surface analysis technique exploiting the quantum scattering of helium atoms with energy around the keV. Called GIFAD (Grazing Incidence Fast Atom Diffraction), this technique is an advantageous alternative/complement to RHEED since it offers much better surface sensitivity and provides richer information on both crystallographic structure and growth dynamics. In a new configuration, GIFAD can now operate at pressures up to 10^-2 mbar, allowing its use for deposition modes operating at “high pressure” (reactive PLD, CVD, magnetron sputtering). The preliminary results obtained in a HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering, a variant of magnetron plasma sputtering) deposition chamber are encouraging. The objective of the internship is to progress on real-time measurements applied to the growth of thin layers of oxides (TiO2, VO2) by reactive deposition (in the presence of oxygen) but also of 2D materials (transition metal dichalcogenides). In particular, we will focus on resolving the early stage of the growth dynamics at the interface and the influence of the deposition parameters (pulse power and duration, oxygen pressure, acceleration voltage of the sputtered ions, etc.). Since HiPIMS is particularly favorable for epitaxial growth, the real-time characterization enabled by GIFAD should ease the optimization of the deposition parameters and achieve thin layers with optimal structural properties.
This project is part of a collaboration between ISMO and LPGP (Laboratory of Gas and Plasma Physics, Paris-Saclay University) and has received support from CNRS through the Prematuration program.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Solide formation en physique ou chimie-physique, avec de bonnes bases en physique du solide et/ou couches minces. Esprit curieux et rigoureux, avec une forte propension pour le travail expérimental. Esprit d'équipe essentiel.
Solid background in physics or chemical-physics, with good understanding of condensed matter and/or thin films. Curiosity and rigor, with a high propensity to experimental work. Strong team spirit.