PhD defense

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    Switchable photovoltaic properties in ferroelectric PZT thin films

    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Amphithéâtre,

    Komalika RANI

    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, C2N, Palaiseau

    PhD defense

    Jury members :

     

    Houssny BOUYANFIF, Rapporteur, Maître de conférences-HDR, Université de Picardie (LPMC)

    Bohdan KUNDYS, Rapporteur, Chargé de recherche, HDR, Université de Strasbourg, CNRS

    Laurent DANIEL, Examinateur, Professeur des universités, Université Paris-Saclay

    Maryline GUILLOUX-VIRY, Examinatrice, Professeur des universités, Université de Rennes 1

    Hélène MAGNAN, Examinatrice, Ingénieure de recherche CEA

    Philippe LECOEUR, Directeur de thèse, Professeur, Université Paris-Saclay (C2N)

    Sylvia MATZEN, Encadrante, Maître de conférences, Université Paris-Saclay (C2N)

    Thomas MAROUTIAN, Invite, Chargé de recherche, Université Paris-Saclay-CNRS

    Abstract :

    Ferroelectric (FE) thin films are being explored for their possible use in photovoltaic (PV) applications. This is due to their high open-circuit voltage and switchable photovoltaic effect, which make them attractive for PV applications. Theoretically, 100% switching of the photocurrent can be achieved by varying the direction of the ferroelectric polarization through the ferroelectric layer. This is particularly intriguing for applications such as photo-ferroelectric memory. The presence of switchability in integrated ferroelectric films between electrodes, however, is not always achieved due to extrinsic parameters such as the nature of the electrode-ferroelectric interface (Schottky contact) or the presence of non-mobile charged defects in the ferroelectric film. In addition, the movement of charged defects, such as oxygen vacancies, under the influence of applied electric fields can have an effect on switchable photocurrent as well. It is not an easy process to disentangle all these contributions (polarization, interfaces, defects) to the photovoltaic properties of ferroelectric devices, and little is known about the quantitative link between photocurrent and ferroelectric polarization.

    In this work, a thorough investigation of the switchability of the PV properties of epitaxial lead zirconate titanate Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) thin films has been carried out in order to study quantitatively the role of ferroelectric polarization. 100 nm thick PZT films were grown using pulsed laser deposition (PLD) and integrated into a capacitor geometry between bottom and top electrodes. The photoinduced current in the PZT devices was investigated under UV illumination (above the PZT band gap) and in different polarization states by poling the devices under increasing electric fields in order to achieve distinct electrical states while simultaneously monitoring their polarization value.

    A comparison study of different interfaces was also carried out, including Pt and ITO as top electrodes, SrRuO3 (SRO) and LaSrMnO3 as bottom electrodes, as well as the insertion of SrTiO3 dielectric layer at the PZT/electrode interface. This work has provided a quantitative determination of the switchable vs unswitchable parts of photocurrent. More precisely, the study of the dependence of the photocurrent as function of electrically controlled remanent polarization has shown that (1) the photocurrent depends linearly on the switchable part of the ferroelectric polarization and that (2) the analysis of this dependence allows extracting quantitatively the pinned polarization value in the FE layer. Such pinned polarization strongly affects the switchability of the PV properties in FEs and is otherwise rather difficult to probe by classical FE characterizations. In addition, the comparison study of different interfaces also revealed the contribution from the electrode-ferroelectric interface on the PV properties, which can induce really different switchability and amplitude of photocurrents.

    In conclusion, these results are thus particularly relevant for the optimization of FE thin films to achieve switchable PV properties which could have far-reaching implications for future photo-ferroelectric memory applications. In addition, the developed method of investigation of photocurrents switchability provides important insights on the ferroelectric behavior in all types of ferroelectric layers, in which pinned polarization could be significant but difficult to investigate otherwise.

    Link: soon

     

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    Nanostructured III-nitride light emitting diodes

    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Amphithéâtre, Palaiseau

    Nuno AMADOR-MENDEZ

    Centre Nanosciences et de Nanotechnologies, C2N, Palaiseau

    PhD defense

    Jury members :

    Jean-Christophe HARMAND, Directeur de Recherche, CNRS-C2N, France, Président

    Enrique CALLEJA, Professeur, ISOM-UPM, Espagne, Rapporteur

    Rachel GRANGE, Professeure, ETH, Suisse, Rapportrice

    Benjamin DAMILANO, Chargé de recherche, CNRS-CHREA, France, Examinateur

    Anna FONTCUBERTA i MORRAL, Professeure, EPFL, Suisse, Examinatrice

    Maria TCHERNYCHEVA,  Directrice de Recherche, CNRS-C2N, France, Directrice de thèse

     

    Abstract :

    Flexible light emitting diodes (LEDs) are today a topic of intense research driven by applications such as bendable displays, conformable light sources, bio-medical devices, etc. The conventional inorganic semiconductor devices are mechanically rigid; the fabrication of flexible devices from thin film structures is quite challenging and requires micro-structuring and lift-off of the active layer. Instead of two-dimensional films, in this thesis two types of III-nitride nanostructures are studied: (i) a bottom-up strategy using core shell nanowires, and (ii) a top-down strategy using a porous structure.

    Polymer-embedded nanowire membranes combine the high efficiency and the long lifetime of inorganic semiconductor materials with the high flexibility and transparency of polymers. I used MOCVD cores shell NWs for the fabrication of flexible blue and green NW LEDs, I also combined them with nanophosphors of different emission colors to produce a second generation of white LEDs with an improved color quality. For the fabrication of red flexible NW LEDs, I tested different strategies, namely an all-InGaN route based on In rich InGaN/GaN MQW NWs with a down-conversion of the blue light by a red phosphor and a red emission from GaAsP NWs.

    Selective area sublimation was demonstrated to be a promising approach to improve the luminous efficacy of defective GaN layers on Si. In my work, I analyzed the impact of porosification on InGaN/GaN single quantum wells and on p-i-n light emitting diode structures. The optical analyses were performed by cathodoluminescence demonstrating that the high temperature sublimation process does not degrade the QW emission while electron beam induced current microscopy showed that the p-i-n junction profile is also preserved after sublimation. I also describe the optimization of the technology for porous LED fabrication following several strategies. As a result, I demonstrated the first porous InGaN/GaN blue LED using parylene pore filling for electrical insulation.

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    (in french) Conception de circuits RF sur polymère Benzocyclobutène (BCB) pour des applications à ondes millimétriques et THz

    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Amphithéâtre, Palaiseau

    Imène KAID OMAR

    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, C2N, Palaiseau

    PhD defense

    Jury members :

    Mme Elodie RICHALOT, Rapporteur, Professeure, Université Gustave Eiffel, ESYCOM

    M. Faouzi BOUSSAHA, Rapporteur, Ingénieur de recherche CNRS, Observatoire de Paris, GEPI

    M. Christophe GAQUIERE, Examinateur, Professeur, Université Lille 1,IEMN

    M. Said ZOUHDI, Examinateur, Professeur, Université Paris-Saclay, GEEPS

    M. Nicolas ZEROUNIAN, Examinateur, Maître de conférences, Université  Paris-Saclay, C2N

    M. Badr Eddine RATNI, Directeur de thèse, Maître de conférences, Université Paris Nanterre, LEME/C2N

    Abstract :

    Les nouvelles applications dans la gamme de fréquences submillimétriques, imposent un développement rapide du trafic et nécessitent une augmentation importante de la capacité de transmission, que ça soit en télécommunications, en imagerie ou en spectroscopie. Aujourd’hui, cette augmentation de capacité de transmission est obtenue, soit par une amélioration de l’efficacité spectrale, soit par l’élargissement du spectre utilisé, ce qui nécessite l’utilisation des gammes de fréquences au-delà de 300 GHz. Depuis quelques années, ces nouvelles applications, impliquant des hauts débits, ont suscités l’intérêt et l’effort de plusieurs équipes de recherche qui ont effectués des études plus axées sur des dispositifs actifs que des dispositifs passifs. Tandis que les dispositifs passifs à base de polymère, sont particulièrement intéressants et pertinents en raison de leurs excellentes performances intrinsèques, et de leur aptitude à pouvoir s’adapter et à s’intégrer aux différentes technologies microélectroniques existantes telles que MOS Si, BiCMOS SiGe, MMIC GaAs, GaN ou InP. Dans le cadre de cette thèse, l’étude menée a porté sur la conception et la réalisation de circuits passifs dans la gamme de fréquences allant du millimétrique au THz sur le polymère Benzocyclobutene (BCB). Pour cela des antennes de topologies innovantes et des guides d’ondes métalliques monomodes à faibles pertes et à très fort facteur de qualité ont été simulées, réalisées et caractérisées. Le choix du polymère BCB réside dans le fait qu’il présente de faibles valeurs de pertes, notamment aux fréquences THz, permettant ainsi d’améliorer le rendement des circuits passifs à ces fréquences. L’autre atout de ce polymère, réside dans la facilité à le déposer (par centrifugation) au-dessus de tout type de substrat et/ou de circuits intégrés. Cela permet de réaliser sur un même dispositif des systèmes incluant des circuits actifs et passifs tout en réduisant les interconnexions. Dans le but de valider le concept, plusieurs dispositifs ont été réalisés et caractérisés aux moyens technologiques de la CTU du C2N (du réseau Renatech). Dans un premier temps, des guides d’ondes GCPW avec vias ont été réalisés et mesurés sur BCB et les résultats obtenus sont en bon accord avec les simulations jusqu’à 760 GHz (proche THz). Ils demeurent monomode à faible pertes et présentent une atténuation très satisfaisante aussi faible que 3 dB/mm à 600 GHz avec une permittivité effective d'environ 1.95. Dans un deuxième temps, dans le but d’étudier l’association de circuits actifs et passifs sur BCB, il a été proposé de réaliser une rectenna fonctionnant autour de 60 GHz (visant des applications WiGig). Pour cela, différentes topologies d’antennes planaires ont été simulées, réalisées et caractérisées au C2N. Le circuit de la rectenna a ensuite été optimisé sous ADS en testant différentes diodes Schottky commerciales. Ces technologies de dispositifs passifs sur polymère BCB, ouvrent la voie à de nombreuses perspectives telles que, l’interconnexion entre guides et antennes de différente nature, le couplage des circuits passifs avec des dispositifs actifs sur semi-conducteur (des amplificateurs distribués ou des multiplieurs), ainsi que la réalisation des motifs de calibrage et d’épluchage avec des guides monomodes sur polymère au-delà de 110 GHz, en concurrence avec ceux déjà commercialisés sur substrat alumine, et dont les limites sont largement atteintes.

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    Spin and valleys in layered materials

    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Amphithéâtre, Palaiseau

    Valeria SHEINA

    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, C2N, Palaiseau

    PhD defense

    Jury members :

    Franck Balestro, Rapporteur, Pr, Université Grenoble Alpes, Institut Néel, CNRS, Grenoble

    Guillaume Schull, Rapporteur, Directeur de Recherche, Département Surfaces et Interfaces, IPCMS, CNRS, Strasbourg

    Sophie Guéron, Présidente,Directrice de Recherche, LPS, CNRS, Orsay

    Hervé Aubin, Directeur de thèse, Directeur de Recherche, C2N, CNRS, Palaiseau

    Abstract :

    Quantum spin states constitute a resource for the development of quantum technologies. They have been considered for the realization of quantum computers, quantum simulators and quantum sensors. These long-term goals demand for the identification of appropriate hosts for quantum spin states with long coherence time and compatible with microfabrication technologies. Because of their two-dimensional character that enables an easier localization of the dopants in the material, monoatomic layer of Van-der-Waals materials is of intense interest. My Ph.D. describes experimental works that address two issues in this field. First, the identification of point-defects with interesting spin properties in Van-der-Waals materials; second, the Electrical Detection of Magnetic Resonance (EDMR) in those Van-der-Waals materials.

    My work addresses two layered materials possessing spin and valley degrees of freedom: the Br-doped  2H-MoTe2 semiconductor belonging to the transition metal dichalcogenide (TMD) family and graphene. In 2H-MoTe2, we found that the electronic levels of the Br-dopants electronic levels are hybridized to the valleys in the conduction band. This produces spin-valley states where the spin and valley quantum numbers are locked. Moreover, by spin resonance methods, we find that the Br dopant carries an unpaired spin with coherence lifetime reaching 50 ns at the lowest temperature of 4.2 K. This is of practical interest as such states can be manipulated conveniently by electric fields. In graphene, encapsulated in hBN. we show that the spin resonance can be detected by transport measurements and propose a simple model relating the spin-resonant signal to the time average of the perpendicular magnetization component <Mz>.

    Link: https://zoom.us/j/91310303583?pwd=T3JweDN1UDRWWFlPNVh6dFBla1BEdz09
    ID de réunion : 913 1030 3583
    Code secret : pHaPA4

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    (in french) Vers une caractérisation sans contact de l'évolution des tissus organiques par des capteurs RF multifréquences

    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Amphithéâtre, Palaiseau

    Alexiane PASQUIER

    Centre Nanosciences et de Nanotechnologies, C2N, Palaiseau

    PhD defense

    Jury members :

    Katia Grenier, Directrice de recherche-HDR, CNRS-LAAS Toulouse : Rapportrice

    Jacques Felblinger, Professeur des Universités - Praticien Hospitalier, Université de Lorraine : Rapporteur

    Hamid Kokabi, Professeur des Universités, Sorbonne Université : Examinateur

    Yann Le Bihan, Professeur des Universités, Université Paris-Saclay : Examinateur

    Yohan Le Diraison, Maître de conférences, Cergy Paris Université : Encadrant

    Stéphane Serfaty, Professeur des Universités, Cergy Paris Université : Directeur de thèse

    Pierre-Yves Joubert, Professeur des Universités, Université Paris-Saclay : Directeur de thèse

    Abstract :

    Le cancer du sein touche une femme sur 8 en France. Pour les femmes à risques, un dépistage et un suivi sont nécessaires dès l’âge de 30 ans. La mammographie par rayons X proposée aujourd’hui n’est pas assez sensible et est mal acceptée par les femmes car elle est douloureuse et peut provoquer des cancers radio induits. Le but de ces travaux est de développer un nouveau système de diagnostic du cancer ou de suivi de pathologies, non-invasif et suffisamment simple d'utilisation pour être utilisé de manière routinière. Par ailleurs, il est en effet reconnu que les propriétés diélectriques (conductivité et permittivité) changent en fonction des altérations des tissus (tumeurs, lésions).

    Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés au développement de capteurs inductifs radiofréquences, permettant d’étudier les propriétés diélectriques complexes des tissus biologiques, qui sont des marqueurs connus de leur état physiopathologique. En particulier, nous avons développés de nouveaux capteurs sans contact, constitués de résonateurs RF passifs à ligne de transmission (WMFR), dont la structure originale leur permet d’entrer en résonance sur un jeu de fréquences prédéterminées, et un système instrumental de contrôle à distance des WMFR par couplages inductifs multifréquences et multicapteurs. Les résonateurs WMFR sont utilisés comme des capteurs inductifs capables d’émettre un champ magnétique à différentes fréquences vers le milieu organique à caractériser et, par réciprocité, de mesurer les variations de ce champ induit, qui sont liées aux propriétés diélectriques complexes du milieu à chacune des fréquences considérées. Ainsi, la mise en réseau de tels capteurs, formant un système d'imagerie multicapteur et multiéchelle, pourrait apporter une solution alternative non-ionisante, peu coûteuse et mieux acceptée par les femmes pour la détection du cancer du sein.

    Lien zoom: https://us02web.zoom.us/j/85478440219
    Id : 821 1368 8598
    Password : 389166

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    (in french) Élaboration et caractérisation de phases topologiques de l’alliage Bi 1-x Sb x pour la conversion spin charge

    Unité Mixte de Physique CNRS-Thales, Amphithéâtre, Palaiseau

    Laetitia BARINGTHON

    Centre Nanosciences et de Nanotechnologies/ Unité Mixte de Physique CNRS-Thales, C2N/ THALES, Palaiseau

    PhD defense

    Jury members :

    Jean-Marie GEORGE Unité Mixte de Physique CNRS Thales, Co-Directeur de thèse

    Patrick LE FèVRE Synchrotron SOLEIL, CoDirecteur de thèse

    Véronique BROUET LPS - Université Paris-Saclay, Examinatrice

    Aurélien MANCHON CINAM - Aix Marseille Université, Examinateur

    Lisa  MICHEZCINAM - Aix Marseille Université, Rapporteur

    Frank  VIDAL  INSP - Sorbonne Université, Rapporteur

    Aristide LEMAITRE, C2N - Université Paris-Saclay, invité

     

    Abstract :

    Afin de répondre au défi énergétique et aux enjeux de la miniaturisation des dispositifs électro-

    niques, une voie alternative consiste à utiliser le spin des électrons en plus de la charge. L’ensemble de ces travaux est regroupé sous le nom générique de « spintronique ». Un objectif général est le développement de dispositif d’électronique de spin afin de générer, manipuler et détecter des courants de spin en vue de leur intégration dans les technologies magnétiques.

    Dans le cadre de ces travaux, nous nous sommes intéressés à un nouveau type de matériau, les isolants topologiques, susceptibles de présenter des efficacités d’inter-conversion de courants de spin en courants de charge (SCC) supérieures aux matériaux de référence dans le domaine.

    Au cours de cette thèse, nous avons développé la croissance de couches minces de l’isolant topologique

    Bi 1-x Sb x (BiSb) par épitaxie par jet moléculaire sur différents substrats (InSb, BaF 2 et Si). La qualité

    cristalline de ces couches a permis de sonder leur structure de bandes électroniques par des techniques de photoémission résolu en angle et en spin (S-ARPES) démontrant la présence d’états de surface texturés en spin. Nous avons étudié l’influence de la concentration en Sb (0.05 < x < 0.4) et de l’épaisseur des films (2.5, 5 et 15 nm) en S-ARPES sur la topologie de ces états de surface, ce qui a aussi permis de développer un modèle de liaison forte. Enfin nous avons entamé une caractérisation électrique des effets de SCC dans des hétéro-structures Bi 1-x Sb x /Co. La caractérisation par spectroscopie térahertz (THz) témoigne d’une forte efficacité de conversion SCC dans le BiSb. En effet l’amplitude des signaux THz mesurés est comparable à l’état de l’art des meilleurs émetteurs spintroniques.

    Link:  https://cnrs.zoom.us/j/97238147857?pwd=dnFSVlE4ODc2K1kwcjROVTVaWW1pQT09

    ID de réunion : 972 3814 7857

    Code secret : TheseBar1

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