Internship

Duration: 6 months starting from mid-March

Supervisor: Federico PANCIERA

Web: https://panciera.netlify.com, https://elphyse.c2n.universite-paris-saclay.fr/en/

Contacts: federico.panciera@c2n.upsaclay.fr

Context of the project: Growth of III-V semiconductor nanowires (NWs) using the vapour-liquid-solid (VLS) method can result in crystal structures different from their bulk phase [[1]]. In GaAs NWs, for example, stable zincblende (ZB) phase coexists with metastable wurtzite (WZ) structure resulting in NWs having a mixed-phase structure. Remarkably, the valence and conduction bands of the two phases are misaligned so that small sections of one phase within the other effectively confine charge carriers. Controlled switching between the two phases enables the synthesis of novel heterostructures, crystal-phase quantum dots (CPQD), with exceptional properties and potential applications in photonics [[2],[3]] and quantum computing [[4]]. In contrast to compositional heterojunctions, CPQDs have intrinsically abrupt interfaces and hence do not suffer from the alloy intermixing at the interface, which hampers precise control of the electronic properties in compositional heterostructures.

Even though CPQDs were first discovered more than ten years ago, their technological application has been severely limited by the difficulty of needing precise control over their growth. In particular, the physics underlying the phase selection mechanism was poorly understood, and so the studies investigating the optical properties of CPQDs were mainly relying on accidentally formed CPQDs [2]. Only recently, thanks to in situ transmission electron microscopy (TEM), we started to shed light on this mechanism. In situ TEM provides unparalleled imaging resolution and allows the capturing of the growth dynamics [[5],[6],[7]] and the effect of growth parameters in real-time. Using this technique, we demonstrated that the sole parameter determining the phase selection is the contact angle between the droplet and the NW interface [[8],[9]]. Up to now, the only way to change the contact angle was by modifying the droplet volume by changing the growth conditions. This process is extremely difficult to control, and in most cases, it generates a segment of mixed phases at the interface between WZ and ZB. Ideally, we would need a method to change the contact angle instantaneously, without modifying the growth conditions.  Luckily, such a method exists and consists of applying an electric field parallel to the growth direction. The electric field deforms the droplet, directly altering its shape and contact angle without affecting other aspects of growth. We explored this concept using Au-catalyzed Si NWs, and demonstrated that it is a viable method to precisely control the droplet contact angle [[10]].

Master 2 internship: The aim of this project is to use an electric field to modify the contact angle of GaAs NWs to achieve unprecedented control over the crystal phase. This method will be used to create multiple CPQDs of controlled dimensions and spacing. The student will participate in the in situ TEM experiments, and he/she will be in charge of data analysis and basic modeling. The analysis will be carried out by developing an automated image-processing algorithm able to extract relevant geometric parameters (i.e. droplet size, contact angle, crystal phase) from each image. The resulting data will be used to correlate the changes of contact angle to phase switching and develop a model to determine E-field's effect on the growth of GaAs nanowires.

Candidate profile: Highly motivated candidates enrolled in a master's degree or equivalent, with a background in materials science and/or physics. Prior knowledge in crystal growth, programming or other fields that are relevant to the project would be appreciated.

Application procedure: For additional information about the project and/or the recruitment process, please contact Federico PANCIERA (federico.panciera@c2n.upsaclay.fr). The candidate should include a CV and at least one recommendation letter.

 

Internship

Contexte du projet de recherche et motivations

L’équipe Seedsdu C2N a une longue expérience sur la croissance par épitaxie ainsi que sur l'élaboration et l'étude des propriétés physiques des nanofils semiconducteurs du groupe IV. Nos préoccupations actuelles sont focalisées sur la synthèsede la phase allotrope 2H[1]du Ge qui offre potentiellement un gap direct de 0,3 eV[2].Cette structure électronique pourrait permettred’envisager l’intégration de fonctionnalités photoniques du Ge-2H sur des dispositifs silicium dans le domaine du moyen infrarouge(4 μm).Ce domaine est particulièrement intéressant en raison des fenêtres de transparence atmosphérique disponibles pour des applications laser telles que les télécommunications, la détection de gaz (CH4, CO et NH présents dans cette gamme) ou polluants chimiques et lacontre-mesure optronique (pour des applications militaires des lasers).

Très récemment, nous avonsdémontré la possibilité de synthétiser des structures cœur/coquille GaAs-w/Ge-2H. Alors que le GaAsmassif n’existe que sous la forme zinc-blinde, la synthèse Vapeur-Liquide-Solide (VLS) de nanofils GaAs de structure wurtzite nous a offert une opportunité décisive pour obtenir par transfert d'épitaxie une structure Ge-2H sur le GaAs-w. La croissance de telles hétérostructures cœur/coquille a été observée in-situ en temps réel dans le microscope NANOMAX(outil unique de l’EQUIPEX TEMPOS dédié à l’étude des mécanismes de croissance de nanostructures -http://www.tempos.fr/).La synthèse in-situ d’une tellehétérostructure Ge-2H/GaAs-w constitue une première mondiale(en cours de publication[3]). Les observations ont mis en évidence un mode de croissance step-flow favorable à l’obtention d’une couche Ge-2H sur des surfaces (1-100) si la diffusion de surface est suffisante. La destabilisation de ce mode de croissance entraine la formation de fautes d’empilement de structure inédite I3dont l’analyse doitêtre généralisée à d’autres systèmes polytypiques de type wurtzite GaAs, ZnS, GaN...

Ces premiers résultats suggèrent de nouvelles opportunités pour la croissance épitaxiale de cette phase 2H-Ge. Il s’agit d’utiliser un substrat de structure hexagonale de surface non polairem=(1-100) ou a=(-1-120) perpendiculaire à l’axe c et de paramètre de maille adapté.Nous devons donc maintenant trouver les conditions de synthèse de nanofils ou de couches 2D deGe-2H par reprise épitaxiale sur un substrat adéquat. Plusieurs procédés sont en cours d’étude sur différents types de substrats : l’épitaxie sélective dans des ouvertures nanostructurées sur la surface, «remote epitaxy»à travers un matériau 2Dtel que le graphène, croissance de nanofils catalysés, et reprise d’épitaxie sur nanofil polytypique obtenu par transformation de phase[1]. Nous sommes à une étape préliminaire du projet qui consiste à tester et valider la faisabilité d’une ou plusieurs des méthodes proposées.Sur un aspect plus fondamental il est important d’étudier les mécanismes de croissance et de relaxation et la formation des défauts dans cette structure Ge-2Hpar des caractérisations systématiques.Publications de l'équipe sur le sujet[1] L. Vincent et al. Nanoletters 14 (2014) p.4828 [2] T. Kaewmaraya, L. Vincent and M. Amato, The journal of physical chemistry C121 -10 (2017) 5820[3]L .Vincent: Formation mecanisms of type I3 basal stacking fault in epitaxially grown hexagonal Ge-2HEn cours de soumission Disponible sur demande.

 

Objectifs et descriptif du stage (3-4 mois)

L’objectif du stage est de participer à la mise en place d’un des procédés, donc d’étendre le procédé de reprise épitaxiale du Ge-2H sur d’autres «templates»que GaAs-w. Le plan de travail est le suivant :

(1)étude succincte de la croissance sur différents substrats permettantune sélection d’un ou plusieurs substrat adéquats

(2)optimisation des paramètres de croissance

(3)étude structurale des relations d’orientation nanostructure/substrat et des défauts créés (DRX, EDX, Raman, TEM...)

(4)caractérisation des propriétés des nanostructures Ge-2H obtenues(absorption optique, mesures électriques...) auxquelles participera éventuellement le(la) stagiaire(e).

Ce projet de recherche est essentiellement à caractère expérimental. Le(la) stagiaire(e) sera formé(e) aux principales étapes technologiques nécessaires à la réalisation et la caractérisation des nanofilset/ou des couches. L’étudeest essentiellement basé sur la croissance épitaxiale par UHV-CVD et sur de nombreuses caractérisations systématiques structurales. L’étudiant bénéficiera d’un environnement plus élargi au sein du consortium de l’ANR HEXSIGE ayant également pour objectifl’étude des propriétés physiques des nanofils Si et Ge allotropiques 3C/2H.

Profil

Formation Ingénieur/Master recherche en science des matériaux ou nanoscience

Bases en cristallographie

Fort goût pour l’expérimentation et l’analyse microstructurale

Aptitude (pas de contre-indication) au travail en salle blanche.

 

Laboratoire et équipe d'accueil

C2N, CNRS / Université Paris Saclay, 10 Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau FRANCE

Département Matériaux/ Equipe SEEDs

Contact: Laetitia VINCENT Téléphone : 01 70 27 03 81/ E-mail : laetitia.vincent@c2n.upsaclay.fr

Internship

Scientific description:

Two-dimensional materials have emerged as a rich field of study with new solid-state physical properties and high potential value for applications. Moreover, because of the weak van-der-Waals interlayer interactions, it is possible to stack various 2D materials, or to couple them with other nanomaterials such as nanocrystals, to create 2D/2D or 2D/0D van der Waals heterostructures with novel properties and functionalities.

In the other end, ferroelectric materials are functional materials with remnant spontaneous electric polarization that can be reversed by an external electric field. This unique property makes them important for many applications, e.g., nonvolatile memories, field-effect transistors, and optoelectronic devices. Coupling 2D materials with ferroelectrics opens the doors to interesting and relatively little explored physical interfacial phenomena.

The purpose of this internship is to study how the ferroelectric polarization can modulate the electronic properties of a 2D semiconductor deposited on top of the ferroelectric material. Two types of ferroelectric materials will be investigated: epitaxial ferroelectric thin films and novel 2D ferroelectrics. The ferroelectric polarization will be studied and controlled by piezo force microscopy (see Figure). The 2D semiconductor will be deposited on top with special attention paid on the interface quality. The effect of the ferroelectric polarization on the 2D semiconductor will be studied by photoluminescence and Raman spectroscopy. This project will give valuable results on the potential of ferroelectric-2D heterostructures for novel non-volatile memories and field effect devices.

Techniques/methods in use: Epitaxial growth of oxide thin films by pulsed laser deposition (PLD), ferroelectric characterization by Piezo Force Microscopy (PFM), characterization of the 2D materials by photoluminescence and Raman spectroscopy mapping.

Applicant skills:    Gifted and willing for experimental physics, well-disposed towards scanning probe microscopy, with a background in materials science and/or solid state physics.

Internship supervisor(s):  Thomas Maroutian (thomas.maroutian@u-psud.fr , 01 70 27 04 89)

                                                Sylvia Matzen (sylvia.matzen@u-psud.fr , 01 70 27 04 85)

Internship location: Centre for Nanoscience and Nanotechnology (C2N), Univ. Paris-Saclay

 

followed PhD

Internship

Scientific project

Specific properties of nanostructures have generated a recent revival of interest in thermoelectric devices[1]. Thanks to their delta-like density of states, devices based on quantum dots are expected to exhibit high Seebeck coefficient, nearly zero electronic thermal conductance and ultra-low phononic thermal conductance if embedded in an oxide matrix[2]. Due to single-electron tunneling across discrete levels in theQuantum Dot(QD), such devices are likelyto behave as quasi-ideal energy filters giving rise to incomparable thermoelectric properties,i.e. with anefficiency very close to the ideal Carnot efficiency.An internship position dedicated to the simulationof such device is available in the COMputational electronICS groupbelonging to Center of Nanosciences and Nanostructures.

_{[1] Zhi-Gang Chen, Guang Han, Lei Yang, Lina Cheng, Jin Zou, In Progress in Natural Science: Materials International, Volume 22, Issue 6, Pages 535-549(2012)https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2012.11.011.[2] Mahan, G. & Sofo, J. The best thermoelectric. Proc. Natl. Acad. Sci. 93, 7436–7439 (1996). DOI 10.1073/pnas.93.15.7436[3]Talbo, V., Galdin-Retailleau, S., Valentin, A. & Dollfus, P. IEEE Transactions on Electron Devices 58, 3286–3293 (2011). DOI 10.1109/TED.2011.2161611[4] Vincent Talbo, Jérome Saint-Martin, Sylvie Retailleau, and Philippe Dollfus, Scientific Reports, 7, 14783 (2017).https://www.nature.com/articles/s41598-017-14009-4[5] G. Benenti, G. Casati, K. Saito, et R. S. Whitney, Physics Reports, vol. 694, p. 1‑124(2017).}

Methods and techniques

By using our homemade code consisting in a 3D Poisson-Schrödinger solver and the resolution of the Master equation[3,4], the thermoelectric properties of a Si-quantum dot-based single-electron transistor operating in sequential tunneling regime are investigated in terms of thermoelectric figure of meritZT, efficiency and power(cf. Fig 1 and Fig 2.). By taking into account the phonon-induced collisional broadening of energy levels in the quantum dot, bothheat and electrical currents are computed in a voltage and temperature rangesbeyond the linear response[5].

followed PhD

Internship

Scientific Context

Effective thermal management and energy harvestingbecome critical issues to improve the sustainability of our electrical energy consumption. Thanks to their unique electrical, mechanical and thermal properties, nanostructuresbased on 2D materials[1] are expectedto increase the energy efficiency of electronic devices.

On one hand, active thermoelectric materials that can recycle wasted energy in electronic circuits must have low thermal conductivity and high electrical conductivity. Unfortunately, due to the Wiedemann Franz law, such behaviors are antonymic in common bulk materials, but should be achieved in nanostructured systems[2]. On the other hand, for thermal management (TM) of heat in excess (to be recycled or discharged), materials having as high thermal conductivities as possible are required. The optimization of TM or TE systems based on 2D nanostructures which are smaller than the mean free path of charge and heat carriers requires an accurateunderstanding of non-equilibrium thermal transport. Thus, specific experimental setup and advanced numerical models must be designed.This internship is focused on the numerical aspects in the framework of the flagship project MACQCAQU belonging tothe NanoSaclay LABEX.However, this work will be performed in strong relationship with the experimentalists involved in the project.

Methodology and Objectives

The objective of this work is to perform a numerical study of the thermal and thermoelectric properties of several 2D materialsand theirheterostructruresby focusing on non-equilibrium transport phenomena, geometric effects and electron-phonon coupling. Among the 2D materials, layered MoS2will be studied first because it is well known in the literature, and then SnS2for its promising TE properties.First, ab-initiocalculations based on the density functional theory (DFT) will be performed to calculate the both the electron and phonon dispersions using the Quantum Espresso software. Then, phonon transport will be studied using ahomemade code based onNon Equilibirum Green’sFunction (NEGF) formalism [3, 4] using a dynamic matrix extracted from DFT. Different types of 2D nanostructures will be evaluated in terms of thermal and thermoelectric properties.

Skills learned

The student will acquire a broad range of skills: in solid state physics (band structure, phonon, electron quantum transport, electron-phonon interaction), technology devices, and scientific computing (DFT software) and programming (Fortran and / or C / C + +, Matlab).Besides, theresults that would be obtained during this internship could be easily published in scientific journals.This work could be a relevant preliminary step for a PhDthesis in our group.

Candidate's Profile

Candidates must have a MSc in Physics, Electronics, Materials Science or related disciplines. We are seeking creative and highly motivated individuals well trained and skilled in scientific research, and available to collaborate in an interdisciplinary team. Programming experience is also desirable, but not mandatory. Please join a CV, a list of courses that you have followed and results of exams in the framework of your master program, and any other information that you judge useful.

References:

[1]Wang, Y.; Xu, N.; Li, D.; Zhu, J. Thermal Properties of Two Dimensional Layered Materials. Adv. Funct. Mater. 2017, 27 (19), 1604134. https://doi.org/10.1002/adfm.201604134

[2]Principi, A.; Vignale, G. Violation of the Wiedemann-Franz Law in Hydrodynamic Electron Liquids. Phys. Rev. Lett. 2015, 115 (5), 056603. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.056603

[3] VT Tran, J Saint-Martin, P Dollfus, S Volz, Optimizing the thermoelectric performance of graphene nano-ribbons without degrading the electronic properties, Scientific reports 7(1), 1-11, 2017 DOI:10.1038/s41598-017-02230-0

[4] M. Pala, P. Giannozzi, D.Esseni, Unit cell restricted Bloch functions basis for first-principle transport models: Theory and application, Physical Review B 102 (2020), 045410. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.045410

Internship

Scientific Context

Nanostructures and in particular nanowireshave acquired in the last years a prominent role in several cutting-edge researchesand could be used in particular as a material for renewable energy[1]. As the Fourier heat equation does not rigorouslydescribe the thermal transport at the nanoscaledue to the occurrence of out of equilibrium phenomena, we have developed a unique home-made Monte Carlo simulatorbased on the Boltzmann’s transport equation for phonons. Our advanced simulatorspecifically developed to the nanoscale includes a Full-band description of the material properties (dispersioncf. Fig. 2 and scattering rates) that are parametrized by using ab-initio calculations[3] [4]. An internship position is available in theCOMputationnal electronICS groupwhich aims toinvestigate the nanoscale heat transfer by using our ab-initio Monte Carlo Simulator.

Methodology and objectives

The internship has 3 objectives:

(i) Using the available code to study the thermal transportacross single interfaces[5]between different materials/phase,

(ii) Computing the static and transient thermal properties of polytype nanowires (cf. fig 1) with a realistic geometry,

(iii) Making comparison between theoretical and experimental results.

Skills learned during the thesis

The student will acquire a broad range of skills: in solid state physics (phonon transport, band structure, phonon spectrum, electron-phonon interaction and phonon-phonon interaction), technology devices, and scientific programming (Fortran and/or C/C++, Matlab).Besides, theresults that would be obtained during this internshipcould be easily published in scientific journals. This internship could be a relevant preliminary work for pursuing aPhd thesis in our group.

Candidate's Profile

Candidates must be at least in the first year of the Master programin Physics, Electronics, Materials Science or related disciplines. We are seeking creative and highly motivated individuals well trained and skilled in scientific research. Programming experience is also desirable, but not mandatory. Please join a CV, a list of courses that you have followed and results of exams in the framework of your master program, and any other information that you judge useful.

References :

[1] Vineis, C. J., Shakouri, A. , Majumdar, A. and Kanatzidis, M. G. (2010), Nanostructured Thermoelectrics: Big Efficiency Gains from Small Features. Adv. Mater., 22: 3970-3980. doi:10.1002/adma.201000839 [2] L. Vincent, et al., Novel Heterostructured Ge Nanowires Based on Polytype Transformation, Nano Lett., 14 (8), pp 4828–4836 (2014)[3] Davier, B., Larroque, J., Dollfus, P., Chaput, L., Volz, S., Lacroix, D., & Saint-Martin, J. Heat transfer in rough nanofilms and nanowires using Full Band Ab Initio Monte Carlo simulation. Journal of Physics: Condensed Matter,30(49), 495902 (2018)[4] Chaput, L., Larroque, J., Dollfus, P., Saint-Martin, J., & Lacroix, D. (2018). Ab initio based calculations of the thermal conductivity at the micron scale. Applied Physics Letters, 112(3), 033104. [5] Larroque, J., Dollfus, P.,& Saint-Martin, J. (2018). Phonon transmission at Si/Ge and polytypic Ge interfaces using full-band mismatch based models. Journal of Applied Physics, 123(2), 025702

Internship

Ce stage qui s’inscrit dans une collaboration entre le C2N (centre de Nanosciences et de Nanotechnologies) et l’ IRFU (Institut de recherche sur les lois Fondamentales de l’univers), fait partie d’un projet interne du CEA intitulé : Nanostructures Si/Ge/Si pour détecteurs pixels.

Ces détecteurs pixels permettent de reconstruire les trajectoires des particules chargées au plus près du point de collision. Le projet DOTPIX (Development Of a the Technology needed for a large micrometric resolution PIXel position sensitive detector) consiste donc à développer ces détecteurs sensibles à la position des pixels de grande résolution micrométrique puis de les caractériser en vue de leur utilisation sur des expériences de physique des particules auprès de futurs collisionneurs e+e-.

Le stage intervient dans l’étape de développement de la technologie Ge On Si nécessaire au fonctionnement du dispositif DOTPiX. Le/la candidat(e) effectuera ce stage au sein de l’équipe Seeds du C2N qui a une longue expérience sur la croissance par épitaxie de matériaux désaccordés. Il/elle sera en charge de l’épitaxie de couches d’épaisseur nanométrique de Si, SiGe et Ge sur des substrats de Si (texturé ou non). La technique de croissance cristalline utilisée est l’UHV-CVD (Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition) et le travail s’effectuera principalement dans la salle blanche du C2N. Il/elle travaillera aussi aux caractérisations in et ex-situ de ces couches avec les moyens disponibles au C2N (RHEED, MEB, AFM, XPS, ellipsométrie, caractérisations électriques). Il/elle sera également amener à collaborer avec d’autres laboratoires comme le GEMAC (Groupe d'Étude de la Matière Condensée) pour les analyses SIMS et l’IRFU pour des caractérisations électriques complémentaire et des simulations numériques si nécessaire.

Connaissances requises

• Sciences Physiques et Chimie
• Matériaux en couches minces / épitaxie
• Techniques du vide
• Techniques de caractérisation de matériaux

Compétences opérationnelles

• Motivation
• Communication
• Application des règles d'hygiène et de sécurité
• Mise en œuvre de techniques d'élaboration de matériaux en couches minces
• Utilisation des techniques de contrôle du domaine des couches minces
• Rédaction de rapport

Laboratoire et équipe d'accueil

C2N, CNRS / Université Paris Saclay, 10 Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau FRANCE Département Matériaux / Equipe SEEDs

 

Contact: Géraldine Hallais
Téléphone : 01 70 27 03 49 / E-mail geraldine.hallais @c2n.upsaclay.fr

Dates : janvier à septembre 2021

 

Internship

Stimulated Brillouin scattering (SBS), mediating (THz) photons and (GHz) acoustic phonons, has an immense potential for opto-acoustic signal processing which have no analogue in conventional electro-optic or all-optic approaches. Namely, SBS has shown ultra-high-resolution filtering and remarkable low noise signal regeneration. Furthermore, the narrow linewidth and low phase noise of Brillouin lasers, make them an ideal solution for high-performance micro-wave signal generation.

SBS has been extensively developed in optical fibers, however the phonon leakage towards the cladding in conventional silicon-on-insulator (SOI) waveguides precluded the observation of SBS in Si photonics. However, the recent development of a new generation of Si optomechanic waveguides (see Fig. 1) has removed this barrier, revolutionizing the field and allowing the experimental demonstration of SBS nonlinearities surpassing Kerr and Raman effects (in 2013 [1]), complete phononic bandgap (in 2014 [2]), net amplification (in 2016 [3]), and Si Brillouin laser (in 2017 [4]). Still, fully exploiting the potential of these Brillouin optomechanical interactions in silicon requires of novel design strategies and, and advanced design tools allowing their optimization.

The goal of this internship is to develop artificial intelligence models to harness the unique degrees of freedom of subwavelength Si nanostructures to independently tailor photonic and phononic modes, providing simultaneous tight confinement and strong overlap, thus maximizing the efficiency of the SBS effect.

followed PhD

Internship

Lab-on-chip sensors are miniaturized circuits that integrate all key functionalities within a single chip, including target preparation, detection and data analysis. Ideally, these devices should be compact, robust and low cost, allowing large-volume production. This would allow the widespread deployment of a wide range of high-impact applications such as invasive medical diagnostics, food quality control and air pollution monitoring. In addition, lab-on-chip sensors should comprise sophisticated and intelligence enough (data monitoring, processing and analysis) to be used by non-skilled personal.

Deep learning methods rely on a training process and different abstraction levels to yield models able to automatically discover the representations needed for detection or classification. Deep learning models can perform precise detection regardless the changes in operation parameters within a training range, thus obviating the need for tight calibration processes. The different abstraction levels are learned from data training, and not from engineering design. This provides deep learning methods with a unique flexibility and outstanding processing capabilities that are already being exploited in image or speech recognition or predicting DNA mutations. We experimentally demonstrate for the first time that the use of machine learning substantially improves the tolerances of on-chip SHFT spectrometers against temperature variations, thus opening a new route for their use in realistic applications outside the controlled laboratory environment.

The goal of this internship will be to explore the use of deep learning algorithms to improve the performance, robustness and flexibility of miniaturized silicon photonics sensors. Simplified models of Si sensors and deep learning algorithms will be combined to alleviate performance degradations due to non-idealities and to develop advanced detection and processing functionalities.

Internship

Notre projet est la réalisation d’un laser polaritonique dans l’UV (360-380 nm) basé sur une cavité hybride intégrant une couche active en GaN ou ZnO et deux miroirs « DBR » très réfléchissants [1, 2]. Les DBRs sont réalisés par un empilement périodique de couches quart d’onde en oxydes de silicium (57nm) et d’Hafnium (43nm), choisis pour leur transparence théorique (longueur d’onde de coupure due au gap : 225 nm pour HfO₂ et 140 nm pour SiO₂).

Le dépôt de ces deux oxydes est réalisé par évaporation (chauffage par canon à électrons) assistée par un faisceau d’ions. Des mesures d’ellipsométrie permettent, par une rétroaction en temps réel sur la durée du dépôt, d’obtenir pour chaque couche et avec une grande précision l’épaisseur optique souhaitée. Cependant cette technique de dépôt, utilisant des conditions assez éloignées des conditions optimales de croissance, peut conduire à la présence de défauts ayant, entre autres, comme conséquences une absorption parasite dans le domaine spectral d’intérêt, qui même très faible, peut limiter la réflectivité du DBR donc les performances du laser.

L’objectif de ce stage est la mesure de l’indice optique complexe des deux oxydes constituants ce miroir DBR, en particulier les faibles valeurs de leur partie imaginaire k.

Les méthodes classiques de mesure (p.e. ellipsométrie) ne permettent pas de répondre à cette question pour deux raisons principales : la couche est fine (~ 50nm) et leur absorptivité est faible (k ~ 10^-3  - 10^-4 à 360 nm). On peut contourner cette difficulté en structurant la couche de diélectrique à étudier de façon (1) à concentrer le champ électromagnétique dans le matériau et (2) faire interférer de façon constructive les réponses optiques des différents éléments de la structuration. L’absorptivité du matériau est alors déterminée à partir de la mesure de la réflexion en champ lointain.

Le stage de M2 proposé consistera (1) à concevoir des structures diélectriques optimisant cet effet pour réduire les incertitudes de mesure de l’indice, (2) à déterminer avec les technologues les conditions de fabrication et, (3) si la durée du stage le permet, de mettre en pratique cette méthode sur un premier échantillon.

Le/la stagiaire aura un très bon niveau de physique générale, un intérêt marqué pour l’électromagnétisme et la simulation numérique. Il/elle saura, de plus, concilier le travail d’équipe indispensable à ce genre d’étude avec un esprit d’initiative, un esprit critique et une autonomie certaine dans son travail.

Ce stage de M2, d’au moins 4 mois se déroulera au C2N. En cas de succès, ce stage se poursuivra par une thèse.

Contacts :

• Xavier Lafosse : xavier.lafosse@c2n.upsaclay.fr
• Jean-Luc Pelouard : jean-luc.pelouard@c2n.upsaclay.fr

Références :

[1] F. Li et al. From excitonic to photonic polariton condensate in a ZnO-based microcavity, Phys. Rev. Lett. 110, 196406 (2013), doi : 10.1103/PhysRevLett.110.196406

[2] F. Réveret et al. High reflectance dielectric distributed Bragg reflectors for near ultra-violet planar microcavities: SiO₂/HfO₂ versus SiO₂/SiN_X, J. Appl. Phys. 120, 093107 (2016), doi : 10.1063/1.4961658

followed PhD

Internship

La forte augmentation des flux d’informations sur les réseaux de télécommunications à base de fibres optiques, se traduit par une demande pressante pour des photo-détecteurs à la fois plus sensibles et plus rapides. Cependant les performances des photo-détecteurs actuellement utilisés dans cette filière – longueurs d’onde proches de 1,3 ou 1,5 µm – sont principalement limitées par les propriétés intrinsèques des matériaux utilisés. Pour passer cet obstacle, le C2N et Almae Technologies développent en commun une nouvelle génération de photo-détecteurs basés sur le concept d’antenne optique.

En effet en structurant la matière à une échelle inférieure à la longueur d’onde, il est possible de créer des résonateurs optiques [1] qui possèdent des propriétés exceptionnellement bien adaptées à la photo-détection [2] : (1) absorption quasi-totale à la résonance, (2) épaisseur de l’absorbant très faible devant la longueur d’absorption du matériau et (3) section efficace de capture des photons très petite devant l’aire du dispositif. Ces concepts révolutionnaires par rapport à ceux de l’optique géométrique permettent de réaliser des photo-détecteurs de très petite surface (i.e. de faible capacité), de très faible épaisseur (i.e. temps de transport ~ 100 fs) et présentant une absorption proche de 100 %.

Ce stage se place dans le cadre du développement d’un photo-détecteur pour les télécoms et datacoms de prochaine génération permettant un débit égal ou supérieur à 50 Gbps. Dans ce contexte, ce stage aura pour objectif d’apporter une contribution au développement d’une des briques technologiques indispensables à la fabrication de ces photo-détecteurs comme le report de couches actives sur substrat hôte, la lithographie par faisceau d’électrons sur couches reportées isolantes, la gravure sèche et la passivation des couches actives à l’échelle nanométrique…

Dans un premier temps, le stage comportera une mise à niveau détaillée sur la brique technologique à développer pendant ce stage. Le choix de cette brique sera fait quelques semaines avant le début du stage, en fonction de l’état d’avancement de l’étude globale en cours. Dans un deuxième temps, le/la stagiaire aura à conduire de façon autonome les expériences, les comptes rendus correspondants et la planification des expériences suivantes. Il/elle bénéficiera du soutien technique et scientifique des ingénieurs du laboratoire, spécialisés dans ces différents processus technologiques. Le stage comportera, comme tâche de fond, une familiarisation aux concepts physiques mis en œuvre dans ces photo-détecteurs (optique sub-longueur d’onde, transport électronique ultra-rapide, génération et manipulation de signaux électriques à très haute fréquence), aux contraintes de fabrication qui en résultent et aux perspectives d’utilisation.

Le/la stagiaire aura un très bon niveau de physique générale, un intérêt marqué pour la nano-fabrication en salle blanche et de bonnes connaissances en physique des dispositifs à semi-conducteur. Il/elle saura, de plus, concilier le travail d’équipe indispensable à ce genre d’étude avec un esprit d’initiative, un esprit critique et une autonomie certaine dans son travail.

Ce stage de niveau M2, d’au moins 4 mois, se déroulera dans le cadre de la collaboration pluriannuelle entre le C2N et Almae Technologies. La fabrication des dispositifs et leur caractérisation auront lieu au C2N. L’encadrement sera assuré par Claire Deeb (Almae) et Jean-Luc Pelouard (C2N). En cas de succès, ce stage se poursuivra avec le même encadrement par une thèse sur une approche plus globale pour une nouvelle génération de photo-détecteurs pour les télécoms et datacoms.

Contacts :
Claire Deeb : Claire.Deeb@almae-technologies.com et page LinkedIn
Jean-Luc Pelouard : Jean-Luc.Pelouard@c2n.upsaclay.fr

Références
[1] F. Pardo et al. Phys. Rev. Lett.  107 093902 (2011)
[2] M. Verdun et al. Appl. Phys. Lett. 108 053501 (2016)

 

 

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