Equipe Nanomatériaux pour l’Optoélectronique

Nanostructures semi-conductrices pour l’optique

Si le matériau silicium est le matériau incontournable de la microélectronique, sa structure électronique caractérisée par une bande interdite indirecte, en fait un mauvais émetteur optique. Pourtant, atteindre une optoélectronique tout silicium est un enjeu majeur pour de nombreuses applications, dans les domaines du transfert de l’information, des communications et de l’énergie. Ainsi l’équipe développe différentes stratégies pour apporter des propriétés optiques à des matériaux à base de silicium :

• Confinement quantique des porteurs de charges dans des nanostructures
• Dopage optique à l’aide d’ions de terres rares
• Dopage électronique de nanocristaux
• Matériaux 2D

Les nanocristaux semi-conducteurs, aussi nommés quantum dots, présentent des propriétés remarquables en raison du confinement quantique des porteurs qui permet notamment de contrôler l’énergie des photons émis, celle-ci étant liée à la taille des objets. Pour certains semi-conducteurs tels que le silicium, le confinement augmente considérablement la probabilité de transitions radiatives par rapport au matériau massif.

Le dopage des matériaux semi-conducteurs massifs est aujourd’hui bien maîtrisé pour de nombreux matériaux. En revanche le dopage de nanocristaux est encore assez méconnu et pose de nombreuses questions fondamentales et technologiques. Une difficulté majeure est liée à la synthèse des nano-objets dopés en raison de la thermodynamique de ces systèmes qui tend à favoriser l’exclusion des dopants du cœur des nanocristaux. Les questions fondamentales auxquelles l’équipe s’intéresse sont notamment :

• la localisation des dopants, en sites interstitiels ou substitutionnels,
• les niveaux des états électroniques créés par les dopants,
• les énergies d’activation des dopants,
• le seuil de solubilité des impuretés,
• la possibilité d’obtenir des oscillations collectives électroniques (plasmons).

Pour répondre à ces questions, l’équipe s’intéresse au système modèle des nanocristaux de silicium dopés avec du bore ou du phosphore. Elle met notamment en œuvre des procédés d’élaboration hors équilibre pour la synthèse des nano-objets dopés, des techniques d’analyse structurale et chimique à l’échelle nanométrique ainsi que des analyses par spectroscopies optiques.

Certains alliages binaires de type IV/V tels que SiP sont des matériaux à très fort potentiel pourvu qu’il soit possible de les synthétiser à 2 dimensions. Les calculs de structure électronique ont montré que le matériau SiP est un semi-conducteur à gap indirect à l’état massif, mais que celui-ci devient à gap direct sous forme 2D. Cet alliage est par ailleurs un matériau lamellaire qu’il est possible d’exfolier, ce qui devrait permettre d’obtenir un matériau 2D potentiellement très intéressant pour de nouvelles applications en optoélectronique silicium. L’équipe met en œuvre différentes voies de synthèse de ce matériau 2D en vue de son étude spectroscopique et de son développement pour les applications optiques.
 

Projets :

• ANR DONNA, Doping at the Nanoscale, 2018-2022
• Région Grand Est NanoDop, Dopage de Nanocristaux semi-conducteurs : développement de systèmes modèles à l’échelle nanométrique, 2019-2020

Thèses :

• Fatme TRAD, 2017-2020
• Alix VALDENAIRE, 2019-2022
• Sébastien GEISKOPF, 2015-2019
• Rosalie NZANG MINTSA, 2022-2025

Collaborations :

• Nationales : CEMES; GPM; LAAS; CEATECH-LETI; IBS; LCPME; ICube; IPCMS ; GDR NACRE
   
• Internationales : Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB RAS, Novosibirsk; Skolkovo Institute of Science and Technology, Moscou

Articles :

• Formation of SiP2 Nanocrystals Embedded in SiO2 from Phosphorus Rich SiO1.5 thin Films, Journal of Physical Chemistry C 124, 7973–7978 (2020), S. Geiskopf, M. Stoffel, X. Devaux, E. André, C. Carteret, A. Bouché, M. Vergnat, H. Rinnert.
  
   
• Direct Insight into Ce-Silicates/Si-Nanoclusters Snowman-Like Janus Nanoparticles Formation in Ce-Doped SiO_x Thin Layers, J. Phys. Chem. C 121, 12447-12453 (2017), G. Beainy et al.
   
• Observation of a nanoscale phase separation in blue-emitting Ce-doped SiO_1.5 thin films, J. Mater. Chem. C 3, 12499-12506 (2015), J. Weimmerskirch-Aubatin et al.
   
• Influence of phosphorus on the growth and the photoluminescence properties of Si-NCs formed in P-doped SiO/SiO2 multilayers, Nanoscale 13, 19617-19625 (2021), F. Trad, A. E. Giba, X. Devaux, M. Stoffel, D. Zhigunov, A. Bouché, S. Geiskopf, R. Demoulin, P.Pareige, E. Talbot, M. Vergnat, H. Rinnert”

Spintronique avec des semi-conducteurs

Le transport électronique dépendant du spin, ainsi que l’injection de spin dans les semi-conducteurs, sont susceptibles d’ouvrir la voie à une toute nouvelle génération de composants électroniques et optoélectroniques. L’équipe s’intéresse en particulier aux problématiques suivantes :

• Transport dépendant du spin dans les semi-conducteurs du groupe  IV et 2D
• Diodes électroluminescentes à injection de spin (Spin LED)
• Spin-photodiodes
• Spintronique avec des matériaux ferroélectriques organiques

L’utilisation du spin de l’électron dans les semi-conducteurs est particulièrement attractive, car la longueur de cohérence du spin est de trois ordres de grandeur supérieure à celle de systèmes métalliques. Les temps caractéristiques correspondent à une fréquence de précession du spin de l’électron variant du GHz au THz, ce qui rend possible la génération d’un courant de spin.

Par ailleurs, il est envisageable d’intégrer dans une même technologie des opérations de stockage de l’information et de communication. L’équipe a étudié le transport dépendant du spin dans des matériaux 2D et mis en évidence, pour la première fois, l’injection/détection électrique de spin dans la bande de conduction d’une multicouche de MoS_2, en utilisant une vanne de spin à deux terminaux. La longueur de diffusion des spins, de l’ordre de 230 nm, pourrait ouvrir des perspectives d’applications en spintronique basées sur l’utilisation de multicouches de dichalcogénures de métaux de transition.

Le transport dépendant du spin a par ailleurs été étudié dans le Si. Une technique de collage moléculaire sous ultravide a été développée pour réaliser des structures verticales métal/ semi-conducteur / métal. Dans le cas de structures CoFeB/MgO/Si/Pt, l’équipe a démontré l’injection d’un courant de spin et le transport perpendiculaire sur une distance supérieure à 2 μm dans le n-Si à température ambiante. Ce travail met en lumière l’importance des états électroniques localisés à l’interface MgO/Si pour la génération d’un courant de spin.

L’injection d’un courant polarisé en spin dans une diode électroluminescente ou un laser permet de convertir la polarisation de spin des porteurs de charges en polarisation circulaire des photons émis. L’utilisation d’une lumière polarisée circulairement pourrait à terme remplacer les technologies actuelles basées sur la commutation de la lumière. La polarisation circulaire peut être modifiée très rapidement en changeant simplement la direction de l’aimantation de l’injecteur de spin. De tels composants permettraient également d’obtenir des images holographiques en 3D sans nécessité de recourir à des verres polarisants. Pour développer toutes ces applications, il est essentiel de réaliser des injecteurs de spin possédant une anisotropie magnétique perpendiculaire au plan de la couche mince. Depuis 2014, l’équipe a développé un nouvel injecteur de spin basé sur une couche ultra-mince de CoFeB (1.2 nm)/MgO (2.5 nm) possédant une anisotropie magnétique perpendiculaire. Lorsque cet injecteur est déposé sur une diode électroluminescente contenant des puits quantiques de GaAs, des polarisations circulaires (P_C) de 13 % à 25 K et de 8% à 300 K sans champ magnétique appliqué sont obtenues. L’équipe a également déposé l’injecteur CoFeB/MgO sur une diode électroluminescente contenant des boîtes quantiques d’InAs/GaAs. Les mesures d’électroluminescence résolues en polarisation effectuées sur une seule boîte quantique ont montré une très forte polarisation pouvant atteindre 35% sans champ magnétique appliqué. Ce résultat remarquable a été mis en avant sur le site du CNRS.

De nouveaux protocoles de communication pourraient être développés si l’on est capable de manipuler et de détecter la polarisation circulaire de la lumière sans nécessité de recourir à des éléments d’optique externes. La spin-photodiode est une hétérojonction métal ferromagnétique  / isolant / semiconducteur qui permet d’analyser une lumière polarisée circulairement à l’aide du courant polarisé en spin. L’équipe a déposé un injecteur CoFeB/MgO possédant une anisotropie magnétique perpendiculaire sur un substrat de Ge(001) avant de réaliser une spin-photodiode. Cette dernière montre une asymétrie de l’hélicité du photocourant de l’ordre de 0.9% à 9 K et même de 0.1% à température ambiante à une longueur d’onde de 1310 nm, sans champ magnétique extérieur. La démonstration d’une spin-photodiode fonctionnant à une longueur d’onde utilisée en télécommunications sans champ magnétique extérieur est d’un grand intérêt pour de futures applications basées sur le transport optique d’informations de spin.

Les structures hybrides métal ferromagnétique / matériau organique, également appelées « spinterface », peuvent présenter des propriétés de filtrage de spin très efficaces et sont susceptibles d’être prometteuses pour de futurs dispositifs spintroniques. La polarisation de spin à la « spinterface » au niveau de Fermi peut être différente, ou même de signe opposé à celle de l’électrode ferromagnétique adjacente. En utilisant un ferroélectrique organique tel que le PVDF (polyvinylidène fluoride) comme barrière, l’équipe a pour la première fois réalisé une jonction organique multiferroïque. Elle a de plus montré que la polarisation de spin à l’interface ferroélectrique organique / ferromagnétique peut être contrôlée en modifiant la polarisation du ferroélectrique organique. 

Projets financés :

• ANR SIZMO2D, Spin Injection/detection at Zero Magnetic field in spin Optronics devices based on 2D Semiconductors, Grant No. ANR-19-CE24-0005-02, 2019-2023.
• Carnot ICEEL International SHATIPN, Spin Hall Angle with Topological Insulator pn Junctions, Grant No. 9-IN, 2020-2022.
• ANR FEOrgSpin, Ferroelectric control of organic/ferromagnetic spinterface, Grant No. ANR-18-CE24-0017-01, 2018-2022.

Thèse :

Pambiang Abel DAINONE, 2021-2024

Thèses en cotutelle :

• Ziqi ZHOU, 2019-2021
• Yuan CAO, 2019-2021
• Xue Gao, 2017-2019

Collaborations :

• Nationales : Unité Mixte de Physique CNRS/Thales et Université Paris-Sud; Institut Physique de Rennes ; LPCNO, INSA-CNRS-UPS, Toulouse ; Institut des Nanosciences de Paris, CNRS-Universités Paris 6; SPINTEC, CEA-INAC/CNRS/UJF-Grenoble; CEA-LETI, Grenoble; Université d’Artois, Lens.
   
• Internationales : University of Minnesota, Electrical and Computer Engineering, Minneapolis, USA; Washington State University, ISP/Applied Sciences Laboratory, Spokane, USA; Institute of Problems of Chemical Physics, Moscow, Russia; Hitachi Cambridge Laboratory, Cambridge, United Kingdom; Electronics and Photonics Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Japan; Institute of Semiconductor, Chinese Academic of Sciences, Beijing, China; Institute of Physics, Chinese Academic of Sciences, Beijing, China; Department of physics, University of Science and Technology of China, Hefei, China; Tongji University, Shanghai, China ; Fert Beijing Institute, Beihang University, Shanghai, China; Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics, Chinese Academic of Sciences, Suzhou, China; Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering, Chinese Academic of Sciences, Ningbo, China; Department of physics, Tsinghua University, Beijing, China; Department of physics, Peking University, Beijing, China.

Articles :

• Electrical spin injection and detection in molybdenum disulfide multilayer channel, Nature Communications 8, 14947 (2017), S. Liang et al.
   
• Evidence of Pure Spin-Current Generated by Spin Pumping in Interface Localized States in Hybrid Metal-Silicon-Metal Vertical Structures, Nano Lett. 19, 90 (2019), C. Cerqueira et al.
   
• Large and robust electrical spin injection into GaAs at zero magnetic field using an ultrathin CoFeB/MgO injector, Physical Review B, 90, 085310 (2014), S.H. Liang et al.
   
• Co-Fe-B/MgO/Ge Spin Photodiode Operating at Telecommunication Wavelength with Zero Applied Magnetic Field, PRA 10, 044049 (2018), A. Djeffal et al.
   
• Electrical initialization of electron and nuclear spins in a single quantum dot at zero magnetic field, Nano Letters 18, 2381 (2018), F. Cadiz at al.

Elaboration

• Elaboration de couches minces par évaporation réactive, épitaxie par jets moléculaires et pulvérisation cathodique. Synthèse d’oxydes ou de nitrures d’éléments du groupe IV, dopage, croissance de couches ferromagnétiques. Les enceintes de dépôts sont couplées au tube sous ultravide DAUM
• Traitements thermiques conventionnels sous ultravide, recuits rapides jusqu’à 1100 °C.
• Micro et nano fabrication

Caractérisation

• Spectroscopie optique par photoluminescence continue et résolue en temps. Spectroscopie d’excitation de photoluminescence. Mesures à basse température avec cryostats hélium. Mesures de rendement quantique d’émission. Electroluminescence résolue en polarisation Microphotoluminescence.
• Microscopie électronique à transmission. Haute résolution. Microscopie électronique filtrée en énergie. Spectroscopies EELS (electron energy loss spectroscopy) et EDS (energy dispersive x-ray spectroscopy). Imagerie EELS et EDS.
• Transport électronique, caractéristique courant tension, mesures sous champ magnétique
• Ellipsométrie spectroscopique
• Mesures magnétiques
• Spectrométrie vibrationnelle, absorption infrarouge et diffusion Raman

Chercheurs CNRS

• Xavier DEVAUX
• Yuan LU

Enseignants-Chercheurs

• Thomas EASWARAKHANTHAN
• Hervé RINNERT
• Mathieu STOFFEL
• Michel VERGNAT

Doctorants

• Pambiang DAINONE
• Clavel Berclis KENGNE CHOUMELE
• Samuel MATHIEU
• Rosalie NZANG MINTSA

Post-doctorants et CDD

• Tongxin CHEN