Élaboration et caractérisation de couches nanométriques d'oxyde d'yttrium dopées terres rares pour les technologies quantiques

Elaboration and characterization of rare-earth doped yttrium oxide thin films for quantum technologies

• Auteur / Autrice : Marion Scarafagio
• Direction : Philippe Goldner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 25/10/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris. Equipe Matériaux pour la photonique et l'optoélectronique
• Jury : Président / Présidente : Gilles Wallez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Dumont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Labbé, Ausrine Bartasyte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique quantique

Couches minces

Terres rares

Oxyde d'yttrium

Mots clés libres

Terres rares

ALD

Couches minces

Technologies quantiques

Oxyde d'yttrium

Rare earth ions

ALD

Thin films

Quantum technologies

Y2o3

Résumé

Les matériaux oxydes dopés aux ions de terres rares suscitent un intérêt grandissant pour les technologies quantiques. La manipulation cohérente des états quantiques étant sensible aux fluctuations de l’environnement extérieur, l’utilisation des ions de terres rares permet de résoudre en partie ce problème puisque leurs électrons 4f sont écrantés par d’autres sous-couches. Actuellement les résultats les plus avancés ont été obtenus sur des monocristaux dont l’utilisation présente un certain nombre d’inconvénients. Ce travail de doctorat vise à déterminer si les couches minces nanométriques de Y2O3 dopées avec des ions de terres rares peuvent être envisagées comme une alternative : elles permettront la réalisation de nouvelles interfaces entre lumière-matière levant certaines limitations rencontrées dans les systèmes macroscopiques. De plus, leur utilisation facilite la scalabilité, la miniaturisation, la nano-structuration, l'intégration et l'interconnexion avec d'autres composants quantiques microscopiques. L'objectif principal de ce travail est de développer et d'optimiser le dépôt de films nanométriques dopés terres rares par ALD avec une analyse simultanée de la structure (DRX), et des propriétés optiques (PL, déclins de fluorescence, largeurs inhomogènes). Ces mesures ont permis de déterminer les paramètres de dépôt optimum pour un substrat Si(100). Les paramètres clefs sont la température de dépôt et l’étape de recuit. Dans les conditions optimales, une raie très fine de 200 GHz a été obtenue pour la transition orange des ions Eu3+. Ces résultats ont ensuite été étendus à des substrats alternatifs. La diffusion et la localisation des dopants ont aussi été étudiées.

Rare earth ion-doped oxidized materials are attracting increasing interest in quantum technologies. The consistent manipulation of quantum states being sensitive to the fluctuations of the outer environment, the use of rare earth ions helps to partially solve this problem since their 4f electrons are knocked out by other sub-elements layers. At present the most advanced results have been obtained on single crystals whose use has a number of disadvantages. This doctoral work aims to determine whether the nanoscale thin layers of Y2O3 doped with rare earth ions can be considered as an alternative: they will make it possible to create new interfaces between light and matter, raising certain limitations encountered in macroscopic systems. In addition, their use facilitates scalability, miniaturization, nano-structuring, integration and interconnection with other microscopic quantum components. The main objective of this work is to develop and optimize the deposition of nanometric films doped rare earth by ALD with simultaneous analysis of structure (DRX), and optical properties (PL, fluorescence declines, heterogeneous widths). These measurements determined the optimum deposition parameters for a substrate Si(100). The key parameters are the deposition temperature and annealing stage. Under optimal conditions, a very fine 200 GHz line was obtained for the orange transition of the Eu3+ ions. These results were then extended to alternative substrates. Diffusion and location of dopants were also studied.