Groupe d'études de la matière condensée

Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est récemment apparu comme un matériau bidimensionnel extrêmement prometteur pour les applications à l’information quantique. Il combine des sources de photons uniques de très grande qualité, positionnables et reproductibles, avec la possibilité de réaliser des circuits photoniques intégrés, ouvrant la voie à la réalisation de calculateurs quantiques monolithiques efficaces. De plus, il est compatible avec des matériaux supraconducteurs conventionnels et à haute température critique. Le projet BONI and QLIDE se base sur les avancées récentes obtenues par le consortium dans ces domaines, et visera à lever les verrous technologiques restants vers une fabrication top-down entièrement déterministe et compatible avec un passage à l’échelle. Le projet mettra en œuvre un effort concerté dans les domaines clés en vue de cet objectif. Il mènera d’une part au développement des techniques de nanofabrication de composants photoniques hBN, et à la création déterministe et annoncée des émetteurs quantiques, permettant leur insertion dans des circuits photoniques (cavités couplés à des guide d’onde). Il permettra l’intégration monolithique de détecteurs supraconducteurs et l’exaltation photonique de leur efficacité. Cela inclut le développement de détecteurs intégrés à haute température critique. Enfin, il aboutira à la mise en place de techniques d’optique quantique de pointe pour un contrôle optimal des émetteurs permettant la génération efficace et robuste de photons indiscernables. Grâce à ces réalisations, le projet BONI and QLIDE accomplira la réalisation du premier prototype de dispositif top-down tout intégré démontrant l’interférence quantique de photons de sources distinctes sur une puce, ouvrant la voie vers des applications pratiques à basse et haute température.

Electrification coupled with renewable electricity supply is a key pathway to achieve a deep decarbonization of our society and contribute to an energy transition in a sustainable way. The electric energy demand based on distributed renewable sources is going to be even more important and a more efficient, secure, flexible and affordable energy distribution should be envisaged for the next future. If these requirements are not met, the replacement of well-established solutions based on fossil fuels will be unfeasible. Consequently, apart from the evident environmental impacts, collateral effects could occur, such as great blackouts at national and continental level. In this scenario, SAFEPOWER first explores and investigates on essential digital, enabling, and emerging technologies to achieve a new generation of power converters for solar applications: i) capable of anticipating failures to prevent downtime using effective Condition and Health Monitoring (C&HM) solutions assisted by AI strategies, ii) based on more compactly-packaged, efficient, rugged and affordable Silicon Carbide (SiC) power MOSFETs, diodes and solid-state DC breakers with a more sustainable manufacturing, and iii) prospecting on Ga2O3-based emerging power devices (MESFETs, diodes and solid-state DC breakers) especially designed for this application. Leveraging these technologies, SAFEPOWER studies and proposes new converter topologies and control schemes to enhance their compactness, sustainability, competitiveness, and security. Additionally, these technologies streamline cost-effective maintenance through AI-assisted intervention plans and AI-enabled "limp mode" operation with derating strategies, which can be extended to offshore wind energy conversion. Therefore, the adoption of SAFEPOWER's technological solutions in the EU solar sector not only will establish a competitive advantage against non-EU power converter manufacturers, but also will enable their initial deployment within the EU.

Avec des rendements record et des coûts réduits, les cellules solaires à base de couches minces de pérovskites hybrides halogénées pourraient créer une révolution dans le photovoltaïque, à condition de résoudre le problème rédhibitoire de leur instabilité. La question se pose quant à son origine principalement intrinsèque (thermodynamique) ou extrinsèque (liée aux défauts). Par ailleurs, le mystère demeure encore quant aux liens entre morphologie et propriétés optoélectroniques. En effet, les couches préparées en solution, polycristallines par nature et comportant de nombreux défauts, affichent des performances paradoxalement meilleures que les couches élaborées sous vide, pourtant de meilleure qualité cristalline. Afin de répondre, sur le plan fondamental, à tous ces questionnements, le projet HaPero propose une approche originale pour élaborer des couches minces de grande qualité structurale, sous ultravide et par une caractérisation multitechnique en temps réel. Une palette d’outils, tels que la diffusion d’ions et d’atomes, la génération de fréquence somme ou la spectroscopie magnéto-optique, permettra d’identifier les propriétés (optoélectronique et de stabilité) intrinsèques de ces couches monocristallines ainsi que les processus de dégradation par réaction avec l’environnement (lumière, eau, oxygène). Ces études, menées parallèlement sur des couches similaires produites en solution, permettront d’élucider l’influence de la morphologie sur les propriétés optoélectroniques : dynamique des excitons, couplage électron-phonon, existence et nature des polarons. Le consortium réunit trois partenaires complémentaires dans les domaines clefs allant de la synthèse chimique à la caractérisation optique, en passant par la croissance de couches minces et l’analyse des surfaces sous ultravide. Ces résultats devraient apporter un nouvel éclairage sur les mécanismes fondamentaux à l’origine de l’instabilité ainsi que des propriétés remarquables de ces matériaux fascinants.

En raison de la rareté de l’indium constituant des semi-conducteurs d’oxyde d'indium dopé étain (ITO), de nouveaux oxydes conducteurs transparents (TCOs) doivent être développés. Récemment, des TCOs ont été découverts, basés sur les composés à fortes corrélations électroniques SrVO3 et CaVO3. Ces composés appartiennent à la famille des pérovskites ABO3 (avec A : alcalino-terreux, et B : métal de transition) qui est une famille très riche et les multiples substitutions des cations sur les sites A et/ou B, peuvent agir sur les performances de ces TCOs tels que les corrélations électroniques, le remplissage électronique… Par conséquent, dans le projet DisTCOvery, nous avons sélectionné des cations A et B, qui seront une puissante plate-forme pour contrôler et améliorer les propriétés fonctionnelles (conductivité, transparence) de ces nouveaux TCOs à base de pérovskite. Nous serons également en mesure d'induire de nouvelles propriétés qui sont absentes dans les autres TCOs telles que le magnétisme, ce qui peut ouvrir des opportunités pour les dispositifs multifonctionnels dans la conception d'écrans et de panneaux photovoltaïques de nouvelle génération. Enfin nous allons intégrer ces nouveaux TCOs sur verre grâce à des nanofeuillets de germination. Ainsi differents nanofeuillets seront développés en adéquation avec les différents paramètres de maille des TCOs que l’on souhaite cristalliser afin de proposer une solution technologique pour leur intégration dans des dispositifs.

Les phases cristallines hexagonales 2H de SixGe(1-x), avec une bande interdite directe, sont en passe de révolutionner l'industrie optoélectronique en fournissant le très convoité émetteur de lumière compatible avec la technologie Si. Précédemment nous avons utilisé la transformation de phase et la croissance de nanofils cœur/coquille pour la synthèse de nanostructures SiGe-2H. Pour une intégration industrielle, il est nécessaire de faire croître ces cristaux de SiGe -2H en augmentant le volume utile. L'objectif du projet Adhex-SiGe est de développer une voie de synthèse de SixGe(1-x)-2H en couches minces. Par épitaxie sur des substrats hexagonaux adéquats, il est possible de dupliquer la phase hexagonale de SixGe(1-x)-2H. Notre approche inédite exploite l’épitaxie sur substrats de matériaux wurtzite II-VI. Nous étudierons les mécanismes de croissance cristalline et la formation de défauts dans le SixGe(1-x)-2H. Afin d'accommoder les paramètres de maille entre le substrat et la couche SixGe(1-x)-2H visée, nous envisageons différentes approches dont le nouveau procédé de « remote epitaxy » basé sur l’utilisation d’une monocouche intermédiaire de graphène. L'étude de la remote epitaxy avec des matériaux II-VI fortement ioniques devrait permettre de valider ou réfuter ce procédé et de mieux comprendre les mécanismes en jeu. Cette nouvelle technique offre l’intérêt supplémentaire d’exfolier la couche épitaxiée pour transférer le film SixGe(1-x)-2H sur un substrat Si. La synthèse de couches minces SixGe(1-x)-2H de haute qualité permettra de répondre à de nombreuses questions ouvertes sur les propriétés physiques de ces nouveaux matériaux comme la structure de bande, le dopage actif ou encore les propriétés optiques. Le SixGe(1-x)-2H est potentiellement émetteur de lumière pour des concentrations en Si de 0<x<0,4. La longueur d’onde d’émission attendue est dans la gamme de l’infrarouge entre 1,8 et 3,5 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 ou polluants chimiques. Ainsi, l’aboutissement majeur d’ADHEX-SiGe serait de démontrer le transfert de la couche SixGe(1-x)-2H sur une plate-forme Si pour la compatibilité CMOS. Cela va ouvrir un large marché pour les applications laser dans le moyen infrarouge. Le projet ADHEX-SiGe bénéficie de l’expertise complémentaire des trois partenaires (C2N, GEMAC, NPSC) en épitaxie de semiconducteurs et s’appuie sur une grande variété de techniques de caractérisations avancées de matériaux (STEM-EDX, HR-XRD, SIMS, XPS/AES...). Une extension vers la région infrarouge d'un SEM-cathodoluminescence sera opérationnelle pour le début du projet. Cet outil unique sera combiné à des mesures PL pour l'analyse des propriétés d'émission et la signature spectrale des impuretés et/ou défauts en dessous de l’énergie de la bande interdite.

Les oxydes ferroélectriques (FE) sont les briques d’une nouvelle électronique à basse consommation, pour des applications mémoires, ou bio-inspirées tels que les memristors. Leurs propriétés ferro-, piézo- et flexo-électriques sont intimement couplées à l’état de contrainte imposé par le substrat lors de la croissance épitaxiale. Nous visons ici à libérer l’empilement fonctionnel de ce substrat parent via des couches sacrificielles solubles dans l’eau, identifiées par l’équipe porteuse. La voie de germination sur nanofeuillets 2D sera aussi explorée et comparée. Les progrès récents montrent que les membranes transférées sur des substrats silicium ou polymères flexibles, préservent l’état de contrainte initial, ou permettent de le moduler sur substrat flexible. In fine, le projet FLEXO explorera leurs propriétés dans une gamme de contraintes inaccessibles aux procédés d’épitaxie. Cela étendra le potentiel de ces oxydes FEs à des dispositifs compatibles CMOS sur Si, ou à l’électronique flexible.

La supraconductivité est un état quantique fascinant de la matière condensée. Son étude et sa compréhension ont toujours suscité un immense intérêt pour la physique fondamentale, mais également pour la science des matériaux. Son exploitation débouche sur des nombreuses applications technologiques: transport de courant sans perte, stockage d'énergie, calcul quantique ou capteurs avec une résolution sans précédent. En 1986, la découverte de la supraconductivité à haute Tc dans les cuprates a permis l'accélération d'énormes progrès, à la fois expérimentalement et théoriquement, dans plusieurs domaines de la physique de la matière condensée. Cependant, l'origine de la supraconductivité à haute Tc est encore un problème non résolu; Une des principales raisons est la complexité de la physique des cuprates issue des multiples interactions en compétitions (fluctuations magnétiques, fortes corrélations électroniques, couplage charge-réseau…) et ordres à proximité (onde de densité de charge, antiferromagnétisme, pseudo gap…). L'émergence de la supraconductivité dans les nickelates, «cousins» structurels et électroniques des cuprates, était très attendue, mais seulement reportée en 2018 dans les super-réseaux LaNiO3 / (La, Sr) MnO3 et en août 2019 dans des couches minces de la «Phase infinie» Nd0.8Sr0.2NiO2 / SrTiO3, en raison des processus chimiques intrinsèquement complexes pour stabiliser cette phase. Le projet SUPERNICKEL explorera les propriétés chimiques, structurales, physiques et électroniques des nouveaux nickelates supraconducteurs, en utilisant une approche transversale impliquant la synthèse de couche minces, super réseaux et de matériaux massifs, la cristallo-chimie du solide, une grande batterie de sondes macroscopiques et microscopiques expérimentales (magnéto-transport, Diffraction des rayons X, spectroscopie de photoémission, entre autres) et théorie. Nos objectifs sont de déterminer la nature et les symétries de l'état supraconducteur, l'origine de l'interaction formant les paires de Cooper, et de clarifier les similitudes et les différences entre les nickelates et les cuprates. Au cours des derniers mois, nous avons concentré nos efforts sur la maîtrise du protocole complexe permettant de stabiliser la phase de couches infinies et synthétiser le nickelate supraconducteur. Nous avons déjà obtenu des échantillons aux bonnes compositions nominales et proches de l'instabilité supraconductrice, et nous sommes confiants que très bientôt, après optimisation de leur synthèse, nous serons l'un des rares groupes au monde à disposer de nickelates supraconducteurs de bonne qualité. En parallèle, nous travaillerons sur d'autres phases de nickelate. La possibilité de synthétiser et d'étudier en profondeur, outre les couches minces et les super-réseaux, des phases volumiques de nickelates sera également une approche unique de SUPERNICKEL. Nous attendons de la comparaison film mince/matériau massif des informations essentielles et potentiellement uniques sur la spécificité de la forme film mince/substrat dans l'émergence de la supraconductivité. Notre stratégie multi-approches intègre la conception, l'élaboration, la caractérisation ccristallochimique détaillée, l'exploration des propriétés physiques et électroniques des états normal et supraconducteur et la modélisation théorique. Le consortium SUPERNICKEL couvre ainsi un large éventail de savoir-faire dans tous les domaines et techniques essentiels nécessaires pour s'attaquer à ce problème: chimie des oxydes pour la synthèse de couches massives et minces, cristallographie, corrélations fortes, magnéto-transport, structure électronique, magnétisme et supraconductivité. Nous espérons également qu'au-delà du consortium SUPERNICKEL, la dynamique de ce projet deviendra un pilier fort pour consolider et redynamiser la communauté française travaillant dans le domaine plus large des nouveaux supraconducteurs.

Le projet E-SCAPE vise à réaliser des sources de photons uniques (SPU) contrôlées en position et reproductibles dans le nitrure de bore hexagonal (hBN). Nous utiliserons une approche top-down originale basée sur une nouvelle famille de centres colorés dans hBN, qui peuvent être activés localement au moyen d’un faisceau d’électrons. Les SPU présentent des propriétés photophysiques avantageuses avec notamment des raies étroites et reproductibles. Notre feuille de route comprend 1. La mise en place d’un procédé d’irradiation avec contrôle in-situ permettant l’activation d’une seule SPU par site ; 2. la caractérisation et le contrôle des SPU au moyen de spectroscopie laser résonante, qui mènera à la démonstration de photons indiscernables ; et 3. la réalisation de dispositifs intégrés avec fonctionnalités électriques et optiques. En résumé, le projet E-SCAPE propose une nouvelle approche vers des sources de photons extensibles pour l’information quantique.

Le projet GOPOWER relève de l'axe " Sciences de base pour l’Energie ". Son objectif principal est de d’étendre le potentiel de Ga2O3, oxyde semiconducteur à ultra large bande interdite (~5 eV), comme matériau pour l’électronique haute puissance à très haute tension (> 6,5 kV) pour des applications du domaine de l’énergie, notamment le transport électrique et les « smart grids ». Jusqu'à présent, les dispositifs à base Ga2O3 existants ne sont qu'unipolaires. Le défi de GOPOWER est la maitrise du dopage de type-p de Ga2O3, afin d'ouvrir la voie des composants bipolaires à haute puissance. Nous visons, à cet effet, la réalisation de couches 2-inch Ga2O3 épitaxiées, dopées de type-p, et de structures de type diode PiN. Dans ce but, une stratégie par calculs ab-initio, élaboration de matériaux, caractérisations avancées des propriétés semiconductrices, et simulations des composants, sera développée en s'appuyant sur les expertises uniques et complémentaires d'un consortium international.

“Diodes pin de diamant (113)” (LAPIN113) est un projet basé sur les récentes découvertes de laboratoires français expérimentés dans le domaine du diamant : le LSPM (Villetaneuse) et le GEMaC (Versailles). L'orientation cristallographique (113) présente de meilleurs potentiels pour le dopage du diamant que l'orientation classique (100). Une meilleure qualité électrique est ainsi attendue pour le diamant (113) dédié aux dispositifs électroniques de forte puissance nécessitant des structures bipolaires. Le LCD du CEA-LIST (Saclay) et le LAAS (Toulouse) forment avec le GEMaC et le LSPM un partenariat aux compétences complémentaires : croissance épitaxiale du diamant (intrinsèque et dopé), études physiques de pointe, fabrication et caractérisation de composants. Leur objectif est de fabriquer les premiers dispositifs bipolaires de puissance verticaux à base de diamant sur l'orientation (113), permettant à la France d’être pionnière dans ce nouveau domaine.

Le projet Mol-CoSM, regroupant trois équipes française complémentaires (Brest (1), Versailles (2) et Nancy (3)), concerne la conception de nouveaux complexes multifonctionnels combinant, de manière synergique, la commutation moléculaire et fluorescence. Ainsi, en plus d’une large activité de synthèse pour la conception de nombreuses séries de systèmes multifonctionnels, ce projet se caractérise par deux orientations : (i) le contrôle du rendement optique selon la nature du fluorophore; (ii) le contrôle des propriétés de la transition de spin, telles que la température de transition et la coopérativité ; (iii) la compréhension des interactions électro-vibrationnelles entre le fluorophore et le centre métallique afin d’améliorer la bi-fonctionnalité. L’objectif final est de proposer des systèmes dotés de fonctionnalités multiples pour des applications potentielles telles que de nouvelles générations de commutateurs magnéto-optiques et de capteurs moléculaires multiples.

La compréhension de l'interaction entre spins appariés est un enjeu majeur pour l’électronique moléculaire et les cellules solaires organiques. En effet, à cause des faibles interactions spin orbite dans ces systèmes, l'état de spin impose des règles de sélection strictes pour les états photoexcités. Les processus impliquant le spin semblent également importants pour les pérovskites hybrides, sur lesquels des progrès remarquables ont été réalisés ces dernières années : elles permettent désormais la réalisation des dispositifs optoélectroniques performants . Les effets de spin sur les états photoexcités sont en effet étudiés avec attention dans des contextes finalement très différents. Dans ce projet, nous nous concentrerons sur deux aspects: la fission excitonique au cours de laquelle un exciton singlet se divise en deux excitons triplets d'énergie deux fois plus faible et les processus dépendants du spin dans des systèmes de quelques couches de pérovskites hybrides jusqu'à la limite d'une monocouche isolée. Dans ce projet, nous proposons d'introduire la technique de résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) large bande, comme méthode puissante pour sonder la nature d'états bi-exciton quintets (avec un spin total S=2) formés à la suite de la fission excitonique. Des expériences récentes au LPS ont montré que cette approche permet de caractériser de manière univoque les sites moléculaires occupés par les deux excitons triplets appariés qui forment le bi- exciton. En complément, l’équipe de Berlin mènera des expériences de résonances magnétiques pulsées ainsi que de la spectroscopie diélectrique (LPS). La combinaison de ces techniques va permettre de caractériser la configuration moléculaire des bi-excitons, l'interaction entre les excitons triplets (via leur énergie d'échange) mais aussi les différents temps de vie. L'équipe de NEEL poussera les limites de l'ODMR pour sonder un bi-exciton unique pour révéler des effets plus subtils lies à la structure hyperfine qui sont cachées lors d'une moyenne d'ensemble. Cette information caractérisera très précisément la structure des fonctions d'onde des bi-excitons. L'ensemble de ces informations permettra d’abonder un modèle théorique quantitatif des bi-excitons qui s'appuiera sur l’expertise en chimie quantique de l’équipe de Bayreuth. Cette dernière réalisera aussi des expériences de spectroscopique pour sonder le rôle de bi-excitons dans les processus d'annihilation triplet-triplet et de conversion ascendante de photons. Les matériaux utilisés pour les cellules solaires et la conversion ascendante en couches minces, ont une morphologie complexe, éloignée de celle des monocristaux. Le LPS et le GEMaC concevront une expérience d'ODMR dans une version résolue spatialement, dite de microfluorescence. Ce développement, qui sera finalisé dans le cadre du projet, permettra aussi d'étudier les propriétés de pérovskites-hybrides dans la limite de monocouches réalisées par déposition de vapeur chimique. Ces échantillons, synthétisés au GEMaC/LPS, permettent de réaliser des hétérostructures Van-der-Waals dont les propriétés peuvent être facilement modulées par une tension de grille. La compréhension des effets optiques dépendants du spin dans des nanofeuillets de pérovskites est une direction de recherche très prometteuse sur laquelle se concentrera l'équipe du GEMaC. En conclusion, le projet MARS développera des méthodes optiques dépendantes du spin originales pour sonder les propriétés d'états photoexcités impliqués dans la fission excitonique. Ces techniques permettront de sonder également de nouveaux matériaux tels que les nanofeuillets MAPI avec un fort impact en optoélectronique fondamentale et appliquée.