Microdispositifs oxydes à base de films minces épitaxiés ferroélectriques à actionnement optique

par Loic Guillemot

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Philippe Lecoeur et de Sylvia Matzen.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Nanoélectronique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Contexte : L'intégration d'oxydes fonctionnels en films minces épitaxiés sur silicium est un véritable défi actuel dans l'objectif de développer de nouveaux microdispositifs électroniques innovants en mettant à profit la richesse des propriétés physiques des oxydes. Parmi ces matériaux, les oxydes ferroélectriques sont particulièrement prometteurs du fait du large éventail de leurs propriétés dont la polarisation électrique, la piézoélectricité ou l'absorption optique, ainsi que les couplages possibles entre leurs diverses fonctionnalités. Plus particulièrement, l'exploitation de leur forte piézoélectricité a été à la base du développement de microsystèmes électromécaniques (MEMS) oxydes. Aujourd'hui cette piézoélectricité connait de nouveaux horizons via la photoferroélectricité lorsqu'elle est couplée aux effets photovoltaïques ou via la piézotronique lorsqu'elle permet la modulation des charges électroniques. Dans ce contexte très dynamique, la photostriction qui désigne le mécanisme physique d'induction de déformations élastiques sous illumination optique est un effet original, qui a déjà été exploré dans quelques oxydes ferroélectriques sous forme de céramiques et de monocristaux, mais qui reste toutefois mal compris. Décrite comme une superposition complexe de l'effet photovoltaïque et de l'effet piézoélectrique inverse, la photostriction nécessite une meilleure compréhension des mécanismes physiques mis en jeu afin d'en optimiser les propriétés et mesurer leur potentiel applicatif. La photostriction pourrait ainsi ouvrir la voie vers un contrôle optique efficace, ultrarapide, ciblé spatialement et à actionnement à distance de MEMS, et concurrencer les autres techniques d'actionnement optique. Objectif : Ce projet de recherche a pour objectif de développer un microdispositif photostrictif original en explorant les mécanismes physiques de photostriction à l'échelle de films minces d'oxydes épitaxiés, structurés et intégrés sur silicium. Les recherches, focalisées jusqu'à présent sur quelques matériaux à l'état massif, ont montré des résultats prometteurs, mais les temps de réponse restent trop longs pour envisager leur intégration technologique. Ce projet interdisciplinaire, à l'interface entre la micro-électronique, l'optique, la mécanique, la croissance et la structuration d'oxydes, a pour double ambition d'apporter des éléments de réponse sur les mécanismes physiques à l'origine de la photostriction, et d'utiliser ces connaissances pour développer des dispositifs innovants, grâce au contrôle de la microstructuration et à l'optimisation des propriétés d'un matériau prometteur qui devraient permettre d'atteindre des déformations et temps de réponses ultimes. Cette thèse se fera en co-direction entre l'Institut d'Electronique Fondamentale (IEF, département nanoélectronique, équipe CTM) et le Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS UMR CNRS-Centrale Supélec, Axe Ferroïques Avancés). Le(la) doctorant(e) pourra ainsi s'appuyer sur les compétences complémentaires des deux équipes en élaboration et structuration de ferroélectriques (IEF et SPMS), intégration d'oxydes épitaxiés dans des microdispositifs sur silicium (IEF), caractérisation multiphysique des matériaux (structure, propriétés optiques, électriques, mécaniques, couplages entre fonctionnalités) (IEF, SPMS). Le(la) doctorant(e) sera en charge de la croissance des films minces d'oxydes par ablation laser, de leur microstructuration par un ensemble de procédés en salle blanche, et de leurs caractérisations opto-électro-mécaniques grâce à un large éventail de techniques expérimentales, qui pourront aussi faire appel à des collaborations nationales et internationales. Techniques expérimentales : croissance épitaxiale par ablation laser, diffraction de rayons X, microscopies AFM et TEM, procédés de lithographie-dépôt-gravure en salle blanche, mesures diélectriques, ferroélectriques, piézoélectriques et photovoltaïques, caractérisations envisagées sur rayonnement synchrotron (mesures résolues en temps).

  • Titre traduit

    Optical actuation of oxide microdevices based on ferroelectric epitaxial thin films


  • Résumé

    Context : Integrating functional oxides in epitaxial thin films on silicon is a real challenge in order to develop innovative electronic microdevices based on the variety of oxides physical properties. Among oxide materials, ferroelectrics are particularly promising and exhibit a large number of properties, such as ferroelectric polarization, piezoelectricity or optical absorption, as well as possible couplings between their functionalities. Their high piezoelectricity has been used to develop oxide microelectromechanical systems (MEMS). Piezoelectricity offers now novel perspectives via photoferroelectricity (when coupling to photovoltaic effects) or piezotronics (when modulating electronic charges). In this dynamic context, the photostriction is an original physical mechanism which induces elastic deformations under optical illumination. This effect has been already explored in a few ferroelectric oxides in ceramic or single crystal form, but it remains not fully understood. Described as a complex combination of photovoltaic effect and inverse piezoelectric effect, photostriction deserves a careful investigation to better understand the physical mechanisms involved in order to optimize properties and study their potential for applications. Photostriction could open the way to an efficient optical control of MEMS (ultrafast, with high spatial resolution and without contact) and compete with other optical actuation techniques. Objective: This research project aims at developing an original photostrictive microdevice by exploring the physical mechanisms of photostriction at the scale of epitaxial oxide thin films integrated on silicon. Previous studies, focused on some bulk materials, have shown promising results, but the time responses stay too long for technological integration. This interdisciplinary project, at the interface between microelectronics, optics, mechanics, growth and design of oxides, has two main objectives: better understand the physical mechanisms responsible for photostriction and develop innovative devices by controlling the structuring and optimizing the properties of a promising material that should allow reaching ultimate deformations and time responses. The thesis will be in collaboration between the IEF (Institut d'Electronique Fondamentale, Nanoelectronic department, CTM team) and the LSPMS (Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides, UMR CNRS-Centrale Supélec, Advanced Ferroics axis). The PhD student will benefit from the complementary expertise of both teams in elaboration and structuring of ferroelectrics (IEF and SPMS), integration of epitaxial oxides in microdevices on silicon (IEF), multiphysic characterization of materials (structural, optical, electrical, mechanical properties and couplings between functionalities) (IEF and SPMS). The student will be in charge of the epitaxial growth of oxide thin films by pulsed laser deposition, their structuring in microdevices by clean room processes and their opto-electro-mechanical characterizations thanks to several experimental techniques and national/international collaborations. Experimental techniques : epitaxial growth by pulsed laser deposition, X ray diffraction, AFM and TEM microscopies, clean room processes (lithography, deposition, etching), different electrical measurements (dielectric, ferroelectric, piezoelectric, photovoltaic), measurements using synchrotron radiation (time resolved).