Intégration de films minces d'oxydes piézoélectriques et photovoltaïques dans des microdispositifs à actionnement optique

par Komalika Rani

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 École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2018 .


  • 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 doctoral 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 dans l'équipe OXIDE du département Matériaux du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), et pourra s'appuyer sur des collaborations fortes établies avec des équipes partenaires internationales (en particulier aux Pays-Bas et aux Etats-Unis). Le(la) doctorant(e) pourra ainsi s'appuyer sur un large éventail de compétences complémentaires en élaboration et structuration de ferroélectriques, intégration d'oxydes épitaxiés dans des microdispositifs sur silicium, caractérisation multiphysique des matériaux (structure, propriétés optiques, électriques, mécaniques, couplages entre fonctionnalités) en particulier sur grands instruments utilisant le rayonnement synchrotron. Le(la) doctorant(e) sera en charge de toutes les étapes du projet : 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. Il/elle pourra ainsi acquérir des compétences larges en élaboration et caractérisations de matériaux grâce à l'utilisation de nombreuses techniques de pointe complémentaires

  • Titre traduit

    Integration of piezoelectric and photovoltaic oxides thin films in optically actuated microdevices


  • 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 [1], 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 thesis project aims to develop 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 conducted in the OXIDE team in the Materials Department of the Center of Nanoscience and Nanotechnology (C2N) and will benefit from strong established collaborations with international partners (in particular in the Netherlands and in the USA). The PhD student will benefit from a large complementary expertise in elaboration and structuring of ferroelectrics, integration of epitaxial oxides in microdevices on silicon, multiphysic characterization of materials (structural, optical, electrical, mechanical properties and couplings between functionalities) in particular using large scale synchrotron facilities. The student will be in charge of each step of the project: from the epitaxial growth of oxide thin films by pulsed laser deposition, their structuring in microdevices by clean room processes to their opto-electro-mechanical characterizations. He/she will thus gain a large expertise in materials fabrication and characterization thanks to the use of several advanced experimental techniques.