Capteurs de gaz à base de ZnO : simulation de l’adsorption de molécules par calculs ab initio

Au sein du laboratoire IM2NP (Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence), l’équipe « Microcapteurs et Instrumentation » (MCI) animée par Évangeline Bénévent et Christelle Carette, développe des capteurs de gaz dont le principe de détection repose sur la mesure de la variation de la conductivité électrique d’un matériau, généralement semi-conducteur. Ainsi il a été démontré que l’oxyde de zinc (ZnO), semi-conducteur à large bande interdite (3.4 eV) de type n, fonctionnait bien pour des gaz tels que O₃, NO₂, CO ou H₂S [1]. Cependant les mécanismes mis en jeu lors de la détection, ainsi que l’origine du dopage n restent mal compris. Tout comme dans le cas de l’oxyde de tungstène, WO₃ [2], ou des oxydes de cuivre CuO [3] et Cu₂O [4], l’objectif de ce travail de thèse est d’apporter des résultats de simulations numériques à l’échelle atomique pour mieux appréhender les mécanismes d’adsorption de ces molécules simples sur des surfaces de ZnO. Dans un premier temps il s’agira d’étudier l’effet des défauts ponctuels (lacunes ou interstitiels) sur les propriétés électroniques du ZnO, en volume comme en surface, ces défauts jouant un rôle important dans le dopage et les mécanismes de détection [5]. Par la suite nous étudierons la stabilité relative des différentes surfaces de ZnO et leurs possibles reconstructions. Enfin l’adsorption de molécules simples sera étudiée en confrontant systématiquement les résultats issus des calculs aux observations expérimentales.

Les calculs seront réalisés en utilisant le code SIESTA, basé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) dans l’approximation de la densité locale (LDA) ou des gradients généralisés (GGA). Le couplage des électrons d du Zn sera pris en compte par l’ajout d’un terme de couplage de Hubbard (DFT+U). Les moyens de calculs seront locaux pour les petits calculs et les tests. Des moyens complémentaires seront demandés au CINES et au Mésocentre de Marseille pour les calculs sur les systèmes plus grands.

Première université française avec plus de 80 000 étudiants et 8 000 personnels, Aix Marseille Université abrite 121 structures de recherche dont l'Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP), unité mixte de recherche avec le CNRS (UMR CNRS 7334). 

Créé en 2008 et organisé en départements, l’Institut Matériaux Microélectronique Nanoscience de Provence (IM2NP) regroupe environ 300 personnes aux confluents de la physique, de la chimie et de la micro-électronique. Depuis sa création, l’IM2NP n’a cessé d’affirmer son rayonnement scientifique dans des sujets très variés allant des nanosciences aux matériaux avancés, jusqu’à l’électronique intégrée, aux circuits et systèmes. 

Au sein du département DETECT (Détection, rayonnements et fiabilité) l'équipe MCI (Microcapteurs et Instrumentation) comprend 15 permanents d’AMU (H/F : 36% F, 64% H). Sa politique de recherche est organisée autour de la mesure et la surveillance en environnement spécifique ou sévère (air extérieur, air intérieur, milieu nucléaire). Ses activités se déclinent suivant trois thématiques. La première concerne les microsystèmes pour l’environnement et le bâtiment. La deuxième porte sur des microsystèmes thermiques pour le nucléaire. La dernière thématique en plein essor correspond à la conception de microsystèmes dédiés à la santé. Ces trois thématiques reposent sur des expertises allant de l’étude et de l’élaboration des couches sensibles (organiques ou inorganiques) à la réalisation de micro-dispositifs sur supports rigides ou souples. La conception et la mise en œuvre de ces dispositifs nécessitent la maîtrise des propriétés des matériaux (électriques, thermiques, nucléaires et physicochimiques), du conditionnement du capteur et du signal, des incertitudes de mesures, du bruit et du traitement des données. L’optimisation de la réponse des capteurs (sensibilité, sélectivité, fidélité), leur validation en conditions réelles et la fiabilité des systèmes, reposent sur le savoir-faire historique de l’équipe (conception de dispositifs, caractérisations, dépôts de couches minces, spectroscopie de bruit, métrologie, développement de bancs spécifiques). Ces activités associées à des moyens expérimentaux propres sont supportées par des travaux de modélisation et de simulation numérique. L’équipe est par ailleurs impliquée dans le LIMMEX (Laboratoire d'Instrumentation et de Mesures en Milieux Extrêmes, laboratoire commun CEA/AMU/CNRS), en termes de coordination scientifique et de programmes de recherche. 

Plus d'informations ici : https://www.im2np.fr/fr/equipe-microcapteurs-instrumentation-mci

Des connaissances en physique des matériaux et en mécanique quantique sont attendues. Une expérience en calcul ab initio serait un atout supplémentaire. 

Une bonne aptitude au travail en autonomie, un bon relationnel, et un esprit d’initiative seront également appréciés.