MATERIALS
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Le Flagship Matériaux de l’IEMN regroupe l’ensemble des activités relatives aux matériaux : élaboration, caractérisation, structuration et simulation. Il s’agit un Flagship transverse qui travaille en étroite collaboration avec les deux autres Flagships transverses : ‘Nanocaractérisation’ et ‘Micro et nano dispositifs’. Les développements effectués permettent d’alimenter les Flagships thématiques de l’Institut, tels que ‘Smart Energy’, Télécommunications Ultra Haut Débit’, ‘Technologies neuromorphiques’ et ‘Technologies pour la Santé’.
Le Flagship Matériaux de l’IEMN regroupe l’ensemble des activités relatives aux matériaux : élaboration, caractérisation, structuration et simulation. Il s’agit un Flagship transverse qui travaille en étroite collaboration avec les deux autres Flagships transverses : ‘Nanocaractérisation’ et ‘Micro et nano dispositifs’. Les développements effectués permettent d’alimenter les Flagships thématiques de l’Institut, tels que ‘Smart Energy’, Télécommunications Ultra Haut Débit’, ‘Technologies neuromorphiques’ et ‘Technologies pour la Santé’.
Historiquement centrée sur les matériaux semi-conducteurs des filières III-V pour la microélectronique haute fréquence et l’optoélectronique, l’activité matériaux de l’IEMN s’est considérablement diversifiée pour satisfaire de nouvelles thématiques scientifiques. La filière semi-conductrice s’est étendue au silicium et aux matériaux fonctionnels pour la micro, nanoélectronique, les MEMS, capteurs et microsystèmes. L’interface avec d’autres champs scientifique a ouvert de nouvelles voix de recherche dans les matériaux organiques pour le développement d’une électronique spécifique ou la fonctionnalisation des surfaces. Les matériaux bidimensionnels, à base de carbone notamment, ont également fait l’objet d’une activité croissante au sein de l’IEMN. Enfin ce flagship inclut les matériaux artificiels définis comme des structurations composites sous longueur d’ondes (métamatériaux, métasurfaces).
Le Flagship matériaux a la volonté de fédérer les forces de l’Institut et de favoriser les synergies entre les différents acteurs selon les objectifs suivants :
- Assurer l’élaboration pérenne de matériaux établis
- Etudier la synthèse de nouveaux matériaux ou combinaisons de matériaux
- Structurer les matériaux sous longueur d’onde
- Fonctionnaliser des surfaces
- Simuler et modéliser les propriétés des matériaux
- Développer de nouveaux procédés technologiques plus durables
- La microélectronique hyper fréquences et THz
- Les capteurs intelligents pour le contrôle des environnements
- Le stockage de l’énergie
- Les métamatériaux pour le contrôle des ondes, de l’acoustique à l’infra-rouge
- L’électronique organique
- La santé de précision
- Les technologies quantiques
Synthèse des matériaux
Sept familles de matériaux sont élaborées (semi-conducteurs, diélectriques, métaux, matériaux fonctionnels, matériaux organiques, nitrures et matériaux 2D), chaque famille ayant sa/ses techniques de fabrication privilégiée(s).
Les semi-conducteurs III-Vs (arséniures, phosphures et antimoniures) sont épitaxiés par jets moléculaires (EJM) tandis que le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD) est utilisé pour le polysilicium. La synthèse en phase liquide est employée pour fabriquer des réseaux de nano cristaux organisés.
La CVD et ses variantes (CVD assistée par plasma) ainsi que le dépôt de couches atomiques (ALD) sont les principales techniques de synthèse de diélectriques (SiO2, SixNy, TiOx,Al2O3, HfO2…).
Les matériaux fonctionnels et leurs hétérostructures ainsi que les nitrures sont obtenus essentiellement par pulvérisation mais aussi par méthode hydrothermale.
Certains matériaux 2D (graphène, hBN, TMDCs) sont épitaxiés par EJM ou CVD mais l’exfoliation d’échantillons volumiques permet d’étendre la gamme de matériaux disponibles et de travailler sur des feuillets.
Les dépôts métalliques ont recours à différentes techniques, évaporation par effet Joule ou par canon à électrons, pulvérisation, ALD, suivant la nature du métal et l’épaisseur considérée.
La synthèse des matériaux organiques fait également appel à différentes technologies : dépôt à la tournette, procédé sol-gel, dépôt physique en phase vapeur (PVD) et synthèse chimique.
Caractérisation des matériaux
Les nombreux équipements disponibles au sein de la Centrale de Micro et Nano Fabrication mais également de la Plateforme de Caractérisation Multi Physique permettent d’obtenir une caractérisation complémentaire des matériaux à différentes échelles.
Profilométrie, microscopies optique et électronique à balayage, microscopie à force atomique et microscopie tunnel sont les outils clés de la détermination de la morphologie des échantillons.
Les propriétés optiques sont sondées par ellipsométrie, spectroscopie Raman et µ-photoluminescence.
La physicochimie des échantillons est étudiée par analyse EDX tandis que celle des surfaces et interfaces est déterminée par spectroscopie de photoélectrons X et UV. La spectroscopie tunnel donne accès aux propriétés électroniques de surface avec une résolution ultime.
La cristallographie des matériaux synthétisés peut être étudiée par diffraction d’électrons rétrodiffusés (EBSD) et diffraction de rayons X.
Nous disposons par ailleurs de la plateforme Wavesurf qui exploite la dispersion des ondes acoustiques de surface et utilise des sondes guidées ainsi qu’un dispositif pico-acoustique afin de déterminer les caractéristiques dimensionnelles de couches et leurs constantes élastiques et mécaniques. Les propriétés magnétiques sont obtenues par magnétométrie.
Les propriétés électriques sont déduites de mesures de résistivité sans contact, d’effet Hall et de caractéristiques I(V) relevées sur différents bancs dédiés.
Modélisation et simulation
Les propriétés de transport dans les semiconducteurs 2D et 3D et les propriétés de polarisation dans les matériaux ferroélectriques sont étudiées par méthode Monte Carlo.
La simulation des structures sous longueur d’onde (métamatériaux et métasurfaces acoustiques et électromagnétiques) est réalisée par la méthode des éléments finis dans le domaine fréquentiel ou des différences finies dans le domaine temporel.
Les micro instabilités/bistabilités des matériaux sont étudiées par mécanique statistique.
La structure électronique des matériaux est calculée par des méthodes ab initio (DFT) et empiriques
