High-quality chemically complex
BiFeO3 oxide films on SrTiO3 substrate in
single-crystalline epitaxial form,
demonstrating applicability as an inexpensive,
easy, and highly scalable route ( From A. K.
Akbashev et al., Nano Lett. 14, 44 (2013)).
Afin de préparer la micro/nanoélectronique du futur, il devient nécessaire de dépasser les limites de la technologie CMOS que celles-ci soient physiques ou économiques via l'utilisation de matériaux aux propriétés nouvelles apportant de nouveaux paradigmes pour le stockage et le traitement des données. Parmi les candidats envisagés figurent les oxydes qui présentent un grand nombre de fonctionnalités (isolant, supraconducteur, métallique, supraconducteur, ferro- ou antiferromagnétique, ferroélectrique...) contrôlables par des stimuli externes (champ électrique ou magnétique, contrainte, lumière...) du fait du couplage complexe entre les degrés de liberté orbitaux, de charge, de spin... Le champ de l'électronique basée sur les oxydes aussi appelé "oxitronique" s'est considérablement développé ces dix dernières années. Les avantages de cette nouvelle électronique sont notamment la possibilité d'exploiter de nouvelles fonctionnalités complètement absentes dans l'électronique à base de semiconducteurs, leur isostructure permettant de réaliser des architectures complexes et l'opportunité de réduite drastiquement les tailles du fait de longueurs caractéristiques à l'échelle nanométrique. Des résultats majeurs tant du point de vue fondamental qu'appliqué ont été obtenus dans ce domaine. Les hétérostructures d'oxydes sont actuellement réalisées majoritairement par ablation laser pulsée ou épitaxie par jets moléculaires, deux techniques difficilement compatibles avec des développements industriels. L'étape suivante pour permettre l'intégration de cette nouvelle électronique sera de la combiner avec la technologie Si-CMOS, permettant la réalisation de composants Si avec des fonctionnalités étendues ou la réalisation de circuits intégrés basés sur la richesse des propriétés offerte par les oxydes.
L'objectif central du projet AXION (nAnoXItrONics) est de doter le LabEx NanoSaclay d'un bâti de croissance par dépôt de couches atomiques (ALD). Cette technique versatile devrait permettre la croissance de couches minces épitaxiées d'oxydes sur Si grande surface (2 pouces). Nous démontrerons le potentiel de cette technique par la réalisation de composants tels que des capteurs de température, des jonctions tunnel à barrières ferroélectriques pour le stockage de données ou des architectures neuromorphiques, des MEMs ou des composants électro-optiques fonctionnant au GHz sur Si tout en continuant les recherches fondamentales pour maintenir un niveau de connaissance à la pointe. Pour atteindre ces objectifs, le projet regroupe des experts du domaine travaillant sur la physique des couches minces et hétérostructures d'oxydes, leur modélisation ainsi que sur leur caractérisation et leur utilisation potentielle pour la réalisation de composant. Le projet AXION permettra de créer ou de renforcer des collaborations entre les acteurs majeurs de la communauté des oxydes de Paris-Saclay. Ceci permettra d'atteindre une masse critique travaillant dans un domaine phare de la matière condensée et générer de nouvelles collaborations et de nouveaux projets à l'échelle nationale et internationale. Il permettra également de tisser des liens privilégiés avec les industriels et de favoriser la mise en place de futurs projets communs. AXION se propose aussi de renforcer les liens entre recherche et enseignement en proposant des cours en master et au sein d'une école dédiée aux oxydes.
Contact : , Unité Mixte de Physique CNRS/Thales
Les matériaux ferroélectriques qui présentent une polarisation électrique renversable sous l’application d’un champ électrique sont devenus une brique essentielle pour le développement des composants dans des domaines variés allant de l’électronique aux capteurs et transducteurs en passant par la spintronique. Récemment, il a été montré que contrairement aux ferroélectriques actuels qui souffrent des conséquences de la miniaturisation, les matériaux à base de HfO2, déjà utilisés comme oxyde de grille dans les technologies CMOS, deviennent non seulement ferroélectriques mais leur polarisation se renforce d’autant plus que les dimensions se réduisent. Cependant, ces matériaux, bien que prometteurs, présentent un mécanisme de ferroélectricité qui reste encore à élucider.
En collaboration avec le groupe de B. Noheda (University of Groningen) et de J. Íñiguez (LIST), nous avons montré que des couches minces d’épaisseurs inférieures à 10nm de Hf0.5Zr0.5O2 épitaxiées sur des substrats (001)- La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3, présentent une très forte polarisation de 34 µC/cm2 qui ne nécessite aucun cycle dit d’éveil, habituellement nécessaire pour développer la polarisation dans ces matériaux. En effet, ces films, qui sont dans un état de contraintes compressives et essentiellement orientés selon la direction [111], ne possèdent pas la symétrie orthorhombique communément reportée dans la littérature mais une symétrie rhombohédrique. La découverte de cette nouvelle phase ferroélectrique stabilisée par le rôle combiné de l’effet de taille et de la contrainte permet d’envisager une approche analogue pour induire une polarisation forte dans des matériaux simples qui jusque-là n’avaient jamais été considérés comme potentiellement ferroélectriques.
Ces travaux, publiés dans Nature Materials, ont été menés dans le cadre du projet phare AXION.
(Gauche) Polarisation (noir) et courant corrigé (bleu) d’une couche de 5 nm de Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) en fonction du champ appliqué à 1 kHz. (Milieu) Image de microscopie HAADF-STEM d’une couche de 9 nm observée le long de l’axe de zone [110] montrant un domaine d’orientation [111] de HZO. (Droite) Image de diffraction électronique (SAED) selon l’axe de zone [111] de la couche 9 nm-HZO montrant un jeu de deux ensembles de 6 tâches de diffraction (cercles jaunes et bleus) qui sont toutes de type {220} attestant de la symétrie rhombohédrique.
Référence: A rhombohedral ferroelectric phase in epitaxially strained Hf0.5Zr0.5O2 thin films
Y. Wei, P. Nukala, M. Salverda, S. Matzen, H. J. Zhao, J. Momand, A. S. Everhardt, G. Agnus, G. R. Blake, P. Lecoeur, B. J. Kooi, J. Íñiguez, B. Dkhil and B. Noheda
Contacts NanoSaclay: Sylvia Matzen, C2N et Brahim Dkhil, CentraleSupélec
Collaborations:
• Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, Pays-Bas
• Materials Research and Technology Department, Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), Luxembourg.
Actuellement, les mémoires non volatiles résistives (ReRAM) sont des mémoires émergentes qui apparaissent comme très prometteuses, à la fois pour le stockage d'informations à haute densité et le calcul bio-inspiré. Pour pouvoir progresser et obtenir un contrôle plus précis des caractéristiques de la transition résistive (vitesse, nombre maximum de cycles de modifications, etc…), une meilleure compréhension des mécanismes de transition sous-jacents est nécessaire.
Les résultats obtenus permettent de déterminer les éléments importants impliqués dans le mécanisme de transition résistive de matériaux à base d’oxydes de cobalt-lithium (LixCoO2). En particulier, les images obtenues par la technique de Spectrométrie de Masse d'Ions Secondaires (SIMS en 3D) montrent que le mécanisme de transition fait intervenir la migration d’ions lithium du film de LixCoO2 vers l’une des électrodes (en silicium dopé). Ce phénomène entraîne simultanément une diminution de la stœchiométrie (x) de LixCoO2 qui subit une transition semiconducteur-métal vers un état environ 1000 fois plus conducteur.
D’autre part, les résultats expérimentaux montrent une influence considérable de la diminution des dimensions des dispositifs sur leurs propriétés de commutation, notamment le temps de transition. La simulation numérique proposée permet d’obtenir un bon accord qualitatif avec ces observations.
Ces travaux ont été menés dans le cadre du projet phare AXION
Référence : Direct Evidence of Lithium Ion Migration in Resistive Switching of Lithium Cobalt Oxide Nanobatteries
V. S. Nguyen, V. H. Mai, P. Auban-Senzier, C. Pasquier, K. Wang, M. J. Rozenberg, N. Brun, K. March, F. Jomard, J. Giapintzakis, C. N. Mihailescu, E. Kyriakides, P. Nukala, T. Maroutian, G. Agnus, P. Lecoeur, S. Matzen, P. Aubert, S. Franger, R. Salot, P.-A. Albouy, D. Alamarguy, B. Dkhil, P. Chrétien, and O. Schneegans
Contact NanoSaclay: Olivier Schneegans, PHEMADIC, GeePs, CentraleSupélec
Collaborations:
- Le Quy Don Technical University, Vietnam
- Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris-Sud, Orsay
- Groupe d’Étude de la Matière Condensée, Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines
- Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, Université de Chypre
- National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics, Roumanie
- Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides, Gif-sur-Yvette
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Orsay
- Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay, Orsay
- CEA de Grenoble, Grenoble
Lorsqu’on les refroidit, les pérovskites de nickel tel que NdNiO3 présentent une transition de phase d’un état métallique vers un état isolant. Bien que le mécanisme précis de cette transition ne soit pas parfaitement compris, cette transition métal-isolant est attractive pour la réalisation de dispositifs comme des commutateurs ou des synapses électroniques.
Dans un article récemment publié dans la revue Nano Letters, une équipe associant notamment l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales et le Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay a pu étudier la transition métal-isolant d’une couche mince de NdNiO3 à l’échelle nanométrique. Grâce à l’utilisation d’un microscope à force atomique muni d’une nano-pointe conductrice, les chercheurs ont réalisé des cartographies de la résistance locale. Ils ont ainsi montré que lors de la transition, des zones conductrices coexistent avec des régions isolantes, correspondant à un phénomène de séparation de phase électronique. Ces résultats suggèrent que la transition se produit dans un régime de percolation en deux dimensions, et ouvrent la voie vers l’exploitation de la séparation de phase dans des nanodispositifs électroniques.
Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du Flagship AXION, et ont également bénéficié d'un soutien financier du projet ERC CoG « MINT » (#615759)
Référence : Direct Mapping of Phase Separation across the Metal−Insulator Transition of NdNiO3
D. Preziosi, L. Lopez-Mir, X. Li, T. Cornelissen, J. H. Lee, F. Trier, K. Bouzehouane, S. Valencia, A. Gloter, A. Barthélémy, and M. Bibes
Nano Letters 2018, 18 (4), pp 2226–2232
Contact NanoSaclay: Manuel Bibes, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales
Collaborations:
• ICMAB-CSIC Campus de la UAB, Barcelone, Espagne
• Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris Sud, Orsay
• Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Berlin, Allemagne
Les transducteurs piézoélectriques convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique (et vice-versa). Ils sont largement utilisés dans des domaines très variés allant du médical (imagerie échographique) à l’industrie automobile (déclencheur airbag) en passant par la robotique, les systèmes de guidage ou encore les télécommunications. L’essentiel de ces applications utilisent des matériaux polycristallins dont la déformation induite sous champ électrique n’excède pas aujourd’hui 0.7 % posant ainsi des limites d’efficacité et de résolution dans les dispositifs actuels.
En collaboration avec l’IIS de Bangalore en Inde, des chercheurs de CentraleSupélec ont obtenu une déformation induite sous champ électrique jusqu’à 1.3 %, c’est-à-dire quasiment près de deux fois la valeur record jusque-là observée, en concevant dans cette intention, un matériau piézoélectrique à base du ferroélectrique BiFeO3-PbTiO3-LaFeO3. Ce choix permet une auto-nanostructuration où domaines ferroélectriques nanométriques, coexistence de phases de basse symétrie et à forte déformation spontanée, et forte sensibilité à répondre à une sollicitation électrique en sont les ingrédients. Cette stratégie de nanostructuration permet d’envisager de meilleurs dispositifs transducteurs piézoélectriques ainsi que de nouveaux matériaux piézoélectriques dont la déformation pourrait valoir plusieurs % !
Ces travaux ont été menés dans le cadre du Flagship AXION.
Référence : Electrostrain in excess of 1% in polycrystalline piezoelectrics
B. Narayan, J. S. Malhotra, R. Pandey, K. Yaddanapudi, P. Nukala, B. Dkhil, A. Senyshyn and R. Ranjan
Nature Materials 17, pp 427–431 (2018)
Contact NanoSaclay: Brahim Dkhil, SPMS, CentraleSupélec
Collaborations:
• Department of Materials Engineering, Indian Institute of Science, Bengalore, Inde
• Source expérimentale de neutrons Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), Université Technique de Munich, Allemagne.
Les matériaux antiferromagnétiques commencent à focaliser l’attention des physiciens qui voient en eux l’espoir de dépasser toutes les limites auxquelles sont confrontés les dispositifs à bases de ferromagnétiques, en étant potentiellement plus rapides, plus denses, plus robustes, et moins énergivores. Ce potentiel est aujourd’hui quasiment inexploité car la connaissance de leurs propriétés microscopiques exige des techniques des caractérisations lourdes, par exemple basées sur les neutrons produits par des réacteurs nucléaires ou sur des sources de rayonnement synchrotron. La disponibilité de nouvelles techniques de microscopie pour ces matériaux antiferromagnétiques permettrait de déverrouiller la compréhension de leurs propriétés physiques.
Une nouvelle méthode de microscopie magnétique, particulièrement adaptée pour imager les antiferromagnétiques, exploite les propriétés de photoluminescence d’un atome artificiel individuel (défaut ponctuel appelé centre NV) implanté au sein d’une pointe en diamant et intégré dans un microscope à force atomique. L’extrême sensibilité de cette sonde au champ magnétique a été mise en œuvre pour cartographier les propriétés locales d’un antiferromagnétique avec une résolution de quelques dizaines de nanomètres. Une équipe de chercheurs associant le laboratoire Charles Coulomb de Montpellier, l’Université de Bâle et cinq laboratoires du Labex Nanosaclay (l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, le CEA/SPEC, le Laboratoire Aimé Cotton, le synchrotron SOLEIL, le C2N) a ainsi pu imager les propriétés du BiFeO3 : les images révèlent les domaines antiferromagnétiques et la modulation sinusoïdale des spins dans ces derniers. Le BiFeO3, est un composé prometteur car il présente également un ordre électrique (il est ferroélectrique), le couplage entre les ordres électrique et magnétique a permis de contrôler à l’échelle microscopique la direction des spins par application d’une tension de quelques volts. Ces travaux constituent une preuve de concept pour de futurs composants commutables sur la base des matériaux antiferromagnétiques.
Reference: Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer
I. Gross, W. Akhtar, V. Garcia, L. J. Martínez, S. Chouaieb, K. Garcia, C. Carrétéro, A. Barthélémy, P. Appel, P. Maletinsky, J.-V. Kim, J. Y. Chauleau, N. Jaouen, M. Viret, M. Bibes, S. Fusil & V. Jacques
Contacts: Stéphane Fusil ou Vincent Garcia, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, Palaiseau
Collaborations:
- Laboratoire Charles Coulomb, Université de Montpellier
- Laboratoire Aimé Cotton, Orsay
- Département de Physique, Université de Basel, Suisse
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, C2N—Orsay
- SPEC, CEA
- Synchrotron SOLEIL
Les textures de spin non-colinéaires telles que les skyrmions suscitent actuellement un grand intérêt tant fondamental (lié à l’influence de la topologie du réseau de spin sur les propriétés électroniques) qu’appliqué (pour le stockage d’information). Le matériau multiferroïque BiFeO3 possède naturellement un ordre de spin non colinéaire, qui de plus est contrôlable électriquement.
Dans BiFeO3, les spins s’ordonnent selon une cycloïde de 62 nm de période. Nous avons montré que lorsque BiFeO3 est élaboré en couches minces, les contraintes induites par le substrat et/ou l’application d’un champ magnétique allongent cette période voire détruisent l’ordre cycloïdal. En combinant plusieurs stimuli (contrainte, champ magnétique ou même champ électrique), il apparaît donc possible de stabiliser diverses textures de spin non-colinéaires, ce qui présente un fort potentiel pour la spintronique ou la magnonique.
Référence : Strain and Magnetic Field Induced Spin-Structure Transitions in Multiferroic BiFeO3
A. Agbelele, D. Sando, C. Toulouse, C. Paillard, R. D. Johnson, R. Rüffer, A. F. Popkov, C. Carrétéro, P. Rovillain, J.-M. Le Breton, B. Dkhil, M. Cazayous, Y. Gallais, M.-A. Méasson, A. Sacuto, P. Manuel, A. K. Zvezdin, A. Barthélémy, J. Juraszek, and M. Bibes. Advanced Materials, 2017, 1602327
Contact NanoSaclay: Manuel Bibes, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, Palaiseau
Collaborations:
- Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, Université Paris Diderot-Paris 7
- Laboratoire Structure, Propriétés et Modélisation des Solides, CentraleSupelec, Châtenay-Malabry
- Laboratoire Clarendon, Département de Physique de l’Université d’Oxford, Royaume-Uni
- European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble
- Institut de physique et de technologie de Moscou, Russie
- ISIS Facility, Royaume-Uni
