Physique des nanostructures

 

L’Axe 1 regroupe les recherches les plus fondamentales menées à l’IEMN, incluant les activités des groupes ‘Physique’, ‘Epiphy’ et ‘Nanostructures, Nanocomposants et Molécules’. Les études portent sur les films minces, les hétérostructures, les structures périodiques (2D, 1D, 0D) de matériaux avancés pour l’électronique, l’optique, l’acoustique, l’opto-électronique et les nanotechnologies. Travaux expérimentaux et théoriques sont menés dans différentes directions :

– Matériaux et nanostructures pour l’électronique moléculaire
– Propriétés structurales et dynamiques des matériaux
– Croissance et caractérisation d’hétérostructures de semiconducteurs 1D et 2D et de leurs interfaces
– Phénomènes de transport, propriétés optoélectroniques/photovoltaïques et études théoriques de nanostructures semiconductrices
– Epitaxie de graphène sur SiC et métaux
–  Phononique/Phoxonique, plasmonique et nanoacoustique dans des matériaux micro et nanostructurés

Ces sujets font partie de 2 thématiques principales de l’IEMN, ‘Nanocaractérisation’ et ‘Electronique flexible’, et participent au développement de thématiques émergentes : ‘Graphène et au-delà du graphène’, ‘Electronique et développement durable’, ‘Architectures neuro-inspirées’.

 

Moyens

Pour les travaux théoriques, les principales techniques utilisées sont la simulation multi-échelle, la dynamique moléculaire pour l’analyse des interactions molécule-surface, les méthodes semi-empiriques (liaisons fortes) et ab-initio (DFT) appliquées à la structure électronique des nanostructures et des interfaces entre semiconducteurs et oxydes à fort désaccord de maille, l’équation de Boltzmann et les méthodes de fonctions de Green pour le transport électronique.

Sur le plan expérimental, nous bénéficions de moyens techniques importants : 3 réacteurs EJM dédiés à l’épitaxie de semiconducteurs III-V et de graphène sur SiC, 2 fours CVD pour la croissance de graphène sur métaux et de nanofils à base de Si/Ge, un équipement d’analyse de surfaces (ESCA), 8 microscopes champ proche (4 systèmes sous atmosphère ambiante et 4 systèmes sous UHV), un banc de µ-photoluminescence, 1 cryostat pour des mesures électriques basse température sous champ magnétique, un banc d’acoustique picoseconde, une plateforme pour les composants et matériaux organiques (3 boîtes à gants permettant le dépôt en solution ou sous vide et des mesures électriques) et un laboratoire de chimie pour la synthèse organique.

 

Résumé des objectifs

Electronique moléculaire

  • Physique des nanostructures et nanocomposants à base de molécules organiques et/ou des systèmes hybrides impliquant des molécules organiques, des nanostructures métalliques et/ou semiconductrices.
  • Conception, fabrication et étude de composants moléculaires fonctionnels, tels des mémoires, commutateurs, memristors, synapstors (transistor-synapse) pour les architectures neuro-inspirées et les prothèses de synapse bio-compatibles.
    http://ncm.iemn.univ-lille1.fr/

Structure et propriétés dynamiques des matériaux

  • Thermodynamique et physico-chimie des systèmes nanostructurés, agrégats macromoléculaires et biomolécules à température et pression finies et sous contrainte (mécanique, chimique) par simulations numériques.
  • La gamme des phénomènes physico-chimiques d’intérêt s’étend de l’ordre supramoléculaire jusqu’à l’adhésion interfaciale et l’agrégation, la mécanique microscopique et les dommages de radiation dans les biomolécules.
    http://physique.iemn.univ-lille1.fr/index.php?id=774

Croissance et caractérisation d’hétérostructures de semiconducteurs 1D et 2D

  • Croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) et caractérisation physique d’hétérostructures à base de semiconducteurs III-V pour applications opto et microélectroniques et pour la physique mésoscopique. Hétérostructures à très fort désaccord de maille dans le but d’utiliser les propriétés des matériaux de la famille ‘6.1Å’ (InAs, GaSb,…) dans des composants innovants.
  • Approche théorique de la relaxation de contrainte dans les systèmes fortement désaccordés.
  • Croissance épitaxiale de nanofils à base de semiconducteurs III-V par EJM et de nanofils et nanostructures à base de Si/Ge par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur différents substrats.
    http://epiphy.iemn.univ-lille1.fr/

Phénomènes de transport, propriétés optoélectroniques/photovoltaïques et études théoriques de nanostructures semiconductrices

  • Etudes spectroscopiques théoriques et expérimentales de nanostructures semiconductrices 0D dans le but de sonder leurs propriétés électroniques, optiques et photovoltaïques au niveau de la nanoparticule unique, incluant la microscopie en champ proche (STM, AFM/EFM/KFM) et les propriétés de transport de nanofils Si et III-V.
  • Etude théorique de la structure électronique et du transport de chaleur dans des nanostructures 1D (nanofils semiconducteurs, nanotubes de carbone et de nitrure de bore) pour composants électroniques ultimes.
    http://physique.iemn.univ-lille1.fr/

Epitaxie de graphène sur SiC et métaux

  • Développement d’une approche originale d’EJM de graphène sur SiC dans le but de parvenir à un excellent contrôle de faibles épaisseurs de graphène.
  • CVD utilisant un mélange CH4/H2 pour la croissance de graphène sur métaux (Cu, Ni) avant transfert sur des substrats isolants.
    http://epiphy.iemn.univ-lille1.fr/


Phononique/Phoxonique, plasmonique et nanoacoustique dans des matériaux micro et nanostructurés

  • Etude théorique de la propagation des ondes acoustiques dans des cristaux phononiques et de l’interaction phonon-phonon dans les cavités phoXoniques et les guides d’ondes.
  • Théorie de la propagation et du filtrage des plasmons-polaritons de surface dans les guides d’ondes métal-isolant ; résonance de plasmons de surface localisée dans des réseaux de nanostructures d’or pour des applications en biocapteurs.
  • Caractérisation expérimentale des propriétés mécaniques de films minces et des vibrations de nano-objets par acoustique picoseconde.
    http://physique.iemn.univ-lille1.fr/