Phases polymorphes de VO2 pour applications en microélectronique

par Laura Diebold

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Pascal Aubert.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Nanoélectronique (equipe de recherche) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-01-2019 .


  • Résumé

    Les phases métastables A et B du dioxide de vanadium ont été observées sous forme de nanostructures telles que des nanorubans ou des nanofils développés dans des conditions de synthèse hydrothermale. Initialement, on pensait que ces phases métastables A et B étaient plus probablement stabilisées dans des conditions simultanées de température élevée et de pression élevée. Le contrôle des paramètres de synthèse hydrothermale permet en effet d'ajuster la composition de la phase et la morphologie des nanostructures. Cependant, il est assez difficile d'obtenir la synthèse hydrothermale de la phase M1 en raison des conditions de fonctionnement limitées des autoclaves en laboratoire. Nous avons observé qu'il est possible de transformer la phase B de nanorubans en phase M1 par un procédé de recuit approprié. Les mécanismes de formation et de conversion des phases VO2 ne sont pas encore bien compris, mais ils sont nécessaires à la mise en oeuvre des technologies basées sur VO2. Obtenir une meilleure compréhension de ces mécanismes permettrait de résoudre les limitations actuelles du contrôle de la transition de phases et de leur stabilité dans le but d'améliorer la fiabilité des dispositifs fabriqués (par exemple, des commutateurs hyperfréquences, des transistors MOTTFET, des mémoires). L'expertise de TE-OX dans la croissance épitaxiale et la synthèse de VO2 en couches minces, ainsi que l'état actuel des connaissances sur la croissance des phases métastables constituent une base solide pour cette thèse. Les diverses méthodes physiochimiques utilisées permettent d'analyser en profondeur les nanostructures des différentes phases de VO2. Ces résultats seraient un appui à la résolution du problème de stabilité des phases métastables sous forme de films minces et permettrait la probable conversion locale de ces phases. L'objectif principal de la thèse est donc de mieux comprendre les mécanismes de croissance de différentes phases de VO2, sous contrainte induite par le substrat (en utilisant différents substrats), de contrôler la concentration en oxygène ou le dopage et de développer des nanostructures libres de contraintes pour obtenir chacune de ces phases, définir les principaux paramètres essentiels à la stabilité de ces différentes phases et étudiez les différentes voies permettant de transformer les phases métastables en phase M1, mais aussi les autres transformations potentiellement sources d'applications.

  • Titre traduit

    Vanadium dioxide polymorphs stability for reliable microelectronic devices


  • Résumé

    Initially, such metastable phases A and B were observed only for nanostructures like nanorods or nanowires grown in hydrothermal conditions. It is thought that these metastable A and B phases are more likely stabilized under simultaneously high temperature and high pression conditions. The control on hydrothermal synthesis parameters allow to tune the phase composition and the nanostructures morphology. However, it's quite difficult to achieve the hydrothermal synthesis of the M1 phase due to the limited working conditions of lab-scale autoclaves. We observed that it is possible to transform the B phase of nanorods to the M1 phase by a suitable annealing process. The VO2 phases formation and conversion mechanisms are not yet fully understood but underlie the fundamental understanding of the VO2 based technologies. Getting better insight of these mechanisms would allow to solve current limitations of phases transition control and its stability with the objective to improve the reliability of the fabricated devices (e.g. microwave switches, MOTTFET transistors, memories). The TE-OX expertise in thin films epitaxial growth and nanowires synthesis and the current state on the art on metastable phases growth present a strong background for this thesis. However, the nanostructures of different VO2 phases need to be deeply investigated by the various physiochemical methods. These results would be a key to solve the problem of metastable phases stabilization in form of thin films and possibility of local phase conversion. Therefore, the main objective of the thesis is to get a better understanding of the growth mechanisms of different VO2 phases, under substrate induced strain (by using different substrates), control of oxygen concentration or doping and the growth of nanostructures free of strains in order to get each of these phases, define the main parameters which are crucial for the stability of these different phases, and study the different routes to transform the metastable phases into the M1 phase.