Dernière mise à jour : 03-12-2016

8 sujets INAC

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• Physique du solide, surfaces et interfaces

 

Electronique de spin antiferromagnétique

SL-DRF-17-0057

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Spintronique et technologie des composants (SPINTEC)

Laboratoire Spintec

Grenoble

Contact :

Vincent BALTZ

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Vincent BALTZ

CNRS - DFR/INAC/SPINTEC/SPINTEC

04 38 78 03 24

Directeur de thèse :

Vincent BALTZ

CNRS - DFR/INAC/SPINTEC/SPINTEC

04 38 78 03 24

Voir aussi : http://www.spintec.fr/research/antiferromagnetic-spintronics/

Les matériaux antiferromagnétiques (alignement antiparallèle des moments magnétiques atomiques) pourraient représenter l'avenir des applications d’électronique de spin grâce aux nombreuses fonctionnalités qu'ils combinent: ils sont insensibles aux champs magnétiques, n’en créent pas, possèdent une dynamique magnétique ultrarapide, et génèrent de forts effets de transport électronique dépendent du spin. D’intenses efforts de recherche sont investis au niveau mondial pour comprendre les propriétés de transport dépendant du spin dans les matériaux antiferromagnétiques. Evaluer dans quelle mesure le transport dépendant du spin peut être utilisé pour piloter l'ordre antiferromagnétique et comment détecter les variations induites sont quelques-uns des défis passionnants à relever.

Avec pour paramètres ajustables la nature des éléments constitutifs des matériaux antiferromagnétiques ou encore la qualité des interfaces, nous étudierons principalement l’efficacité de l’injection de spin et le filtrage des interfaces, l’absorption de spin dans le cœur du matériau et les longueurs caractéristiques d’absorption, les températures d’ordre et les susceptibilités magnétiques ou encore l’efficacité des couplages spin-orbite via l’effet Hall de spin.

Cette thèse est expérimentale. Elle s’appuiera sur les nombreux moyens de fabrication (pulvérisation cathodique, épitaxie par jet moléculaire, nanofabrication en salle blanche) et de caractérisation (magnétométrie, résonance ferromagnétique, transport) du laboratoire SPINTEC. Elle bénéficiera des rapports privilégiés avec des laboratoires partenaires pour des expériences en cavité résonante et l’obtention d’échantillons complémentaires.

Etude par des techniques de diffusion in-situ et operando des mécanismes de vieillissement dans les batteries Lithium-ion à base de Silicium

SL-DRF-17-0512

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Modélisation et Exploration des Matériaux (MEM)

Groupe Service Général de Rayons X

Grenoble

Contact :

Stéphanie POUGET

Sandrine LYONNARD

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Stéphanie POUGET

CEA - DRF/INAC/MEM/SGX

04 38 78 54 63

Directeur de thèse :

Sandrine LYONNARD

CEA - DRF/INAC/SyMMES/PCI

04 38 78 92 86

Silicon, due to its great capacity (3576 mAh/g), is one of the best candidates to substitute graphite in the new generation of Lithium-ion batteries. Yet, Silicon anodes present large volume expansion during the lithiation which induces a large irreversible capacity. Silicon based nanostructured materials (nanoparticles, nanowires, nanocomposites) attract considerable attention because they can mitigate volume expansion effects, increase the surface area and allow innovative architectures. Understanding the basic mechanisms of lithiation and delithiation in these materials is critical to improve the performance and lifetime of Li-ion batteries. Although post-mortem investigations at various states of (dis)charges are invaluable, there is a growing interest in operando methods to continuously diagnose the battery components in the course of device cycling.

In this subject, we propose a combination of cutting-edge in-situ and operando scattering techniques to address the problematic of ageing in Lithium-ion batteries with nanoSilicon-based electrodes more particularly focusing on critical processes such as Solid Electrolyte Interphase (SEI) formation, structural deformations and size variations of the nano-objects. X-rays reflectivity, X-rays diffraction, Small Angle Neutron and X-rays scattering are ideal tools to probe the electrode-electrolyte interface, the size, shape, organization and internal structure of Si nano-objects. These techniques will be coupled with electrochemical characterizations, with the aim of providing a detailed understanding of complex mechanisms occurring during the charge and the discharge of the Lithium battery, which are critical for improving the performances of these energy storage devices.

Mesure de transport dans les matériaux topologiques

SL-DRF-17-0278

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Photonique, Electronique et Ingénierie Quantiques (PHELIQS)

Laboratoire Instrumentation Matériaux Avancés,Physique des Electrons Corrélés (IMAPEC)

Grenoble

Contact :

Alexandre POURRET

Georg KNEBEL

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2016

Contact :

Alexandre POURRET

UGA - DRF/INAC/PHELIQS/IMAPEC

04387883951

Directeur de thèse :

Georg KNEBEL

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/IMAPEC

04 38 78 39 51

Voir aussi : http://inac.cea.fr/Pisp/alexandre.pourret/

Voir aussi : http://inac.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=338

L'objectif de la thèse est de comprendre au niveau fondamental les différents phénomènes non conventionnels qui sont présents dans les semi-métaux topologiques 3D récemment découverts à l’aide d’études expérimentales originales. Ainsi, le candidat sera impliqué dans les mesures de caractérisation (résistivité, pouvoir thermoélectrique, chaleur spécifique...) à très basse température et haut champ magnétique, l'analyse des données, et dans l'amélioration du dispositif expérimental. Il pourra aussi collaborer avec les autres personnes du laboratoire qui font des mesures complémentaires sur ces mêmes composés et il pourra être amené à réaliser des expériences sur grands instruments (LNCMI...).

Le candidat possèdera une formation solide en Physique de la matière condensée et/ou en mécanique quantique et une forte motivation pour le travail expérimental nécessitant une instrumentation complexe et délicate. Il deviendra autonome sur les techniques de cryogénie, de cristallogenèse et de caractérisation en s’appuyant dans un premier temps (stage master2) sur l’expertise des chercheurs au sein du laboratoire. Il participera activement aux discussions et au travail avec l’équipe impliquée dans son sujet de recherche.

Modélisation de la dynamique des bits quantiques Silicium

SL-DRF-17-0052

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Modélisation et Exploration des Matériaux (MEM)

Laboratoire de Simulation Atomistique (L_Sim)

Grenoble

Contact :

Yann Michel NIQUET

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Yann Michel NIQUET

CEA - DRF/INAC/MEM/L_Sim

04.38.78.21.86

Directeur de thèse :

Yann Michel NIQUET

CEA - DRF/INAC/MEM/L_Sim

04.38.78.21.86

Voir aussi : http://inac.cea.fr/L_Sim/Qui/YMNiquet/

Voir aussi : http://inac.cea.fr/L_Sim/

Voir aussi : https://scholar.google.fr/citations?user=h02ymwoAAAAJ

Des "ordinateurs quantiques" seront sans doute capables de résoudre un jour des problèmes hors de portée des ordinateurs classiques actuels. De tels ordinateurs ne manipulent plus seulement les électrons comme des particules, mais aussi des ondes qui entretiennent des relations de phase et qu'il est donc possible de faire interférer. La préparation, la manipulation cohérente et la "lecture" d'états quantiques posent des défis immenses. L'une des options prometteuses pour réaliser des "bits quantiques" consiste à détourner des transistors MOS silicium pour y stocker un ou quelques électrons et y manipuler leur spin. Le CEA fabrique et caractérise de tels dispositifs, et développe des outils de simulation adaptés.

L'objectif de cette thèse sera d'étudier la dynamique des électrons dans ces dispositifs en résolvant l'équation de Schrödinger dépendante du temps en présence d'interactions électroniques. Il s'agira de mieux appréhender comment manipuler les électrons et leur spin, et de comprendre comment les interactions de ces électrons avec leur environnement limitent le "temps de cohérence" pendant lequel il est possible de stocker une information quantique. Cette étude sera menée en étroite collaboration avec les équipes de physique expérimentale travaillant sur le sujet au CEA/INAC, CEA/IRAMIS et CEA/LETI, ainsi qu'avec les partenaires européens du CEA.

Mémoires magnétiques memristives pour synapses spintroniques

SL-DRF-17-0523

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Spintronique et technologie des composants (SPINTEC)

Laboratoire Spintec

Grenoble

Contact :

Liliana-Daniela BUDA-PREJBEANU

Bernard DIENY

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Liliana-Daniela BUDA-PREJBEANU

Grenoble INP - DRF/INAC/SPINTEC/SPINTEC

04 38 78 44 19

Directeur de thèse :

Bernard DIENY

CEA - DRF/INAC/SPINTEC/SPINTEC

04 38 78 38 70

Voir aussi : www.spintec.fr

Les circuits électroniques conventionnels consomment beaucoup plus d’énergie que le cerveau humain à performances comparables (~50MW pour un super-ordinateur comparé à ~20W pour le cerveau humain). En conséquence, il y a un intérêt croissant en électronique pour développer des circuits qui imitent le fonctionnement du cerveau. Ces circuits sont particulièrement adaptés pour des fonctions d’apprentissage, d’association et de reconnaissance. Dans ce but, il est nécessaire de développer de nouveaux composants électroniques réalisant les fonctions de neurones et de synapses. Les synapses sont des éléments d’interconnexions entre neurones capables de garder la mémoire de l’histoire du courant qui les traverse.

Dans cette thèse, nous proposons de développer de tels synapses électroniques utilisant des phénomènes spintroniques, en particulier la magnétorésistance tunnel de jonctions tunnel magnétiques et l’effet de transfert de spin. La résistance du composant variera continûment entre une valeur minimale et une valeur maximale en fonction de la succession des pulses de courant traversant l’élément (memristor). Ce travail reposera sur la grande expérience de SPINTEC dans le domaine des oscillateurs à transfert de spin et des mémoires magnétorésistives MRAM.

La thèse commencera par des simulations micromagnétiques visant à dimensionner le composant et à choisir les matériaux les plus appropriés pour cette application. Ces matériaux seront ensuite optimisés expérimentalement et des composants memristifs seront fabriqués à partir de ces derniers dans notre salle blanche. Ces composants seront alors testés électriquement au laboratoire pour démontrer la fonctionnalité memristive. Des circuits simples neuromorphiques seront ensuite réalisés pour tester les fonctions d’apprentissage et de reconnaissance.

Nouveaux alliages de type GeSn : un gap direct dans les semiconducteurs IV

SL-DRF-17-0162

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Photonique, Electronique et Ingénierie Quantiques (PHELIQS)

Laboratoire Silicium Nanoélectronique Photonique et Structures (SINAPS)

Grenoble

Contact :

Nicolas PAUC

Vincent CALVO

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Nicolas PAUC

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/SINAPS

04 38 78 18 04

Directeur de thèse :

Vincent CALVO

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/SINAPS

0438781809

Ce projet s’intéresse à la réalisation et l’étude d’un nouveau type de source laser à semiconducteur à base de germanium (Ge) et d’étain (Sn) qui a été démontrée pour la première fois en 2015 [1] et 2016 [2]. Ge et Sn sont compatibles avec les procédés de fabrication employés en électronique, faisant du laser GeSn un élément de rupture pour la photonique sur silicium.

Nous proposons dans cette thèse d’étudier des films d'alliages de Ge1-xSnx crus sur substrat silicium dans le but d’obtenir à court terme l’effet laser par pompage optique. Un effort important portera également sur la réalisation d'hétérostructures où les porteurs et les photons sont confinés dans le milieu actif, ceci dans le but d'abaisser le seuil laser. A cette fin, la synthèse d'alliages ternaires de type Ge1-x-ySnxSiy, utilisés comme matériau barrière, sera développée en collaboration avec le CEA-LETI. Les propriétés fondamentales des matériaux synthétisés telles que la valeur du gap direct, l'énergie de confinement dans l'hétérostructure, le rendement quantique interne ou encore la densité d'états recombinant de surface seront étudiés au laboratoire, en préalable à la réalisation de résonateurs optiques en salles blanches.



[1] S. Wirths et al, Nature Photonics, 9, 88–92 (2015)

[2] D. Stange et al, ACS Photonics, 3, 1279-1285 (2016)

Source de photons uniques efficace à base de nanofils semiconducteurs

SL-DRF-17-0322

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Photonique, Electronique et Ingénierie Quantiques (PHELIQS)

Laboratoire de Nano Physique des Semi-Conducteurs (NPSC)

Grenoble

Contact :

Edith BELLET-AMALRIC

Kuntheak KHENG

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Edith BELLET-AMALRIC

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

04 38 78 44 06

Directeur de thèse :

Kuntheak KHENG

Universite Grenoble Alpes - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

04 38 78 47 01

Voir aussi : http://inac.cea.fr/Pisp/kuntheak.kheng/

Voir aussi : http://neel.cnrs.fr/spip.php?rubrique47

La source de photons uniques est un élément clé dans le cadre de la communication et calcul quantique. Les photons uniques, émis un par un et codés par leur polarisation, jouent le rôle de qubits volants dans les échanges d’information. Ils sont en particulier requis dans de nombreux protocoles de cryptographie quantique, intrinsèquement surs, qui permettent la transmission d'une clé de décryptage secrète. Une telle source peut être réalisée avec des boîtes quantiques à base de semiconducteurs comme cela a été démontré dans de nombreux matériaux. Cependant ces démonstrations étaient pour la plupart limitées à des températures cryogéniques. Notre équipe a montré très récemment qu’une boîte quantique CdSe insérée dans un nanofil ZnSe, était capable d’émettre des photons uniques jusqu’à la température ambiante [1]. Ce résultat remarquable (une 1ère mondiale pour une boîte quantique épitaxiée) ouvre les perspectives d’une utilisation réaliste des boîtes quantiques dans les technologies de l’information quantique. De plus, l’émission dans le visible de ces boîtes CdSe/ZnSe est particulièrement bien adaptée pour les communications en espace libre (pour l’établissement de liaisons sol-satellite par exemple) grâce à la grande transparence de l’atmosphère et la disponibilité de détecteurs rapides de photons uniques dans ce domaine spectral.



Le but de la thèse est de développer une source de photons uniques efficace à base d’une boîte quantique formée dans un nanofil de semiconducteur II-VI. Il consistera à étudier (i) la croissance d’hétérostructures de nanofils de type cœur-coquille afin d'améliorer le rendement quantique d'émission, (ii) le couplage de ces nano-émetteurs à diverses structures photoniques pour une extraction et une collection efficace de la lumière, et (iii) la possibilité de mettre en œuvre une excitation optique par micro-laser pour obtenir un dispositif compact. Ces études offrent la possibilité d'explorer des phénomènes physiques de base (mécanismes de croissance, interaction nanostructure-photon etc...) à l'échelle nanométrique, tout en contribuant au développement d'un dispositif original et essentiel pour le domaine de la communication quantique et de l'information quantique.



[1] Ultrafast Room Temperature Single-Photon Source from Nanowire-Quantum Dots, S. Bounouar et al., Nano Lett. 12, 2977 (2012).

Utilisation du couplage spin-orbite dans le silicium et le germanium pour la génération, détection et manipulation du spin

SL-DRF-17-0372

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Spintronique et technologie des composants (SPINTEC)

Laboratoire Spintec

Grenoble

Contact :

Alain MARTY

Matthieu JAMET

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Alain MARTY

CEA - DRF/INAC/SPINTEC/SPINTEC

0438783366

Directeur de thèse :

Matthieu JAMET

CEA - DRF/INAC/SPINTEC/SPINTEC

04 38 78 22 62

Voir aussi : http://inac.cea.fr/Pisp/matthieu.jamet/

Voir aussi : http://www.spintec.fr/research/2d-spintronics/

L’objectif de la spintronique dans les semiconducteurs est l’utilisation du spin de l’électron en plus de sa charge dans les dispositifs de la microélectronique. Le degré de liberté de spin permet d’ajouter de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs existants et de réduire la consommation d’énergie. Les trois étapes clés pour le développement de cette nouvelle technologie sont la génération, la détection et la manipulation d’électrons polarisés en spin dans le silicium et le germanium, les matériaux de la microélectronique actuelle. Un nouveau paradigme est récemment apparu dans la communauté de la spintronique qui consiste à utiliser le couplage spin-orbite pour réaliser ces trois opérations. Le couplage spin-orbite couple le moment et le spin de l’électron. Il permet donc de manipuler le spin à l’aide d’un champ électrique mais aussi de réaliser l’inter-conversion courant de charge-courant de spin par effet Hall de spin dans les matériaux massifs et par effet Rashba aux interfaces.

Malheureusement, le couplage spin-orbite est trop faible dans le Si et le Ge et c’est l’objectif de la thèse d’étudier des méthodes pour l’exalter. Nous nous concentrerons tout d’abord sur les interfaces métal/Si(111) et métal/Ge(111) dans lesquelles un très fort couplage spin-orbite de type Rashba a été prédit. Ensuite, deux autres systèmes prometteurs seront abordés : des films de Si et Ge dopés avec des atomes lourds pour augmenter le couplage spin-orbite dans le massif et des isolants topologiques épitaxiés sur Si(111) ou Ge(111) dans lesquels l’inter-conversion courant de charge-courant de spin est très efficace. Le candidat bénéficiera de la longue expérience de notre équipe en spintronique des semi-conducteurs de d’une collaboration forte avec le CEA LETI.



Pour la réalisation finale d'un transistor à spin, l'étudiant réalisera les tâches suivantes:

1) La croissance par épitaxie par jets moléculaires des jonctions tunnel magnétiques sur Si et Ge qui serviront d'électrodes d'injection et détection de spin.

2) La croissance des états Rashba métal/Si et métal/Ge par épitaxie par jets moléculaires.

3) La nanofabrication des dispositifs en salle blanche par lithographie électronique et optique

4) Les mesures de magnétotransport sur les dispositifs obtenus à l'aide d'un cryostat dédié (2-300K, 0-7 Tesla)

5) L'interprétation de signaux électriques dans le cadre des modèles déjà existants. Développement de nouveaux modèles. Des simulations par éléments finis seront aussi envisagées pour visualiser les courants de spin dans le système.



 

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