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Thèse : Mesures quantitatives des propriétés électriques à l'échelle atomique en utilisant l'in-situ biasing en microscopie électronique en transmission (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : jeudi 12 août 2021

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Informations générales

Référence : UPR2940-ELOBER-048
Lieu de travail : GRENOBLE
Date de publication : jeudi 22 juillet 2021
Nom du responsable scientifique : Martien den Hertog, co-encadrement avec Jean-Luc Rouviere (CEA-Grenoble) et potentiellement Christophe Gatel (CEMES Toulouse)
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

L'objectif de cette thèse est de mesurer quantitativement les propriétés électriques des matériaux en utilisant des techniques basées sur la microscopie électronique en transmission (TEM) à des échelles de nm et de longueur atomique, avec un fort accent sur le développement de nouvelles méthodes 4D-STEM à haut potentiel et le traitement des données associées. La polarisation électrique in-situ sera une méthode expérimentale clé pour éliminer tout le contraste / signal lié au matériau par soustraction d'une image de référence appropriée. 4D-STEM sera utilisé pour cartographier le déplacement du disque d'électrons transmis, qui est sensible à la présence de champs électriques locaux. Cette méthode, généralement appelée DPC (Differential Phase Constrast) sera optimisée (WP1) et appliquée à des matériaux 2D et à des nanofils semiconducteur à jonction p-n axiale, contactées électriquement, puis comparée à la ptychographie, une technique où la phase électronique est reconstruite à partir des mêmes données 4D-STEM, en utilisant un algorithme itératif (WP2). Sur les meilleurs échantillons, ces 2 techniques seront comparées à l'holographie électronique (WP3). Le doctorant fournira les conditions optimisées et le traitement des données pour les expériences 4D STEM de deux types, et indiquera quelle technique devrait être préférentiellement utilisée en fonction de la géométrie de l'échantillon.

Contexte de travail

Cette thèse est rendue possible par une collaboration de plus en plus forte entre les spécialistes en MET du CEA Grenoble et du CNRS Institut Néel.

Dans le cadre du projet ERC e-See (PI Martien den Hertog (Neel), dont le CEA en tant que partenaire), nous avons commencé à réaliser des expériences STEM 4D in-situ et haute résolution sur des nanofils à jonction pn polarisés électriquement et à caractériser la distribution du champ électrique aux échelles de longueur atomique dans les matériaux 2D. L'objectif final du projet ERC est de contrôler électriquement et de localiser spatialement une seule charge avec une résolution spatiale nm ou atomique. Dans ce contexte, nous avons réalisé que le traitement des données d'images STEM 4D est difficile mais essentiel. De plus, la perspective de la ptychographie est très prometteuse pour les deux types d'échantillons. Actuellement, des programmes de reconstruction ptychographique sont disponibles. En particulier, le groupe MRS de l'Institut Neel en la personne de Julio Cesar da Silva a une forte expertise sur la ptychographie pour la diffraction des rayons X et Jean-Luc Rouvière (CEA) est en contact avec plusieurs groupes développant des algorithmes et des projets de ptychographie au sein de cette thèse. développer de nouveaux algorithmes et méthodes. En effet, les logiciels de ptychographie actuels ne fonctionnent que pour des objets très fins. Pour cette raison, des matériaux 2D ont été inclus dans cette thèse pour valider les algorithmes de reconstruction existants et nouveaux. Pour les nanofils p-n, de nouveaux logiciels de ptychographie incluant la propagation dynamique des électrons devront être développés. Nous nous sommes rendu compte, compte tenu des différents savoir-faire de notre consortium (par exemple, fabrication d'échantillons pour des expériences in-situ sur des nanofils contactés, conditions d'imagerie dédiées pour les matériaux 2D, connaissances théoriques sur les simulations, MET de pointe et nouveau détecteur pixelisé) nous avons la possibilité d'aller rapidement au-delà des résultats à l'état de l'art. Ce doctorat nous permettra de collaborer beaucoup plus efficacement qu'il n'aurait été possible autrement, et de combiner au mieux les ressources de nos deux instituts, contribuant et bénéficiant à la fois du projet ERC e-See ainsi que des projets en cours sur les matériaux 2D, en particulier la Vallée Magique de l'ANR. Dans le projet ERC, différents types de nanofils à jonction p-n sont étudiés, constitués de Ge, GaN et InP. Ces nanofils sont cultivés ou fabriqués dans des groupes de recherche collaborateurs (SINAPS et NPSC au CEA/Néel et TU Eindhoven). Nous maîtrisons parfaitement tous les traitements en salle blanche pour mettre en contact ces nanofils sur des membranes en nitrure de silicium compatibles TEM. Pour les matériaux 2D, la croissance optimale, le transfert vers des substrats compatibles TEM et les conditions d'imagerie sont tous maîtrisés au sein du groupe IRIG grâce à Hanako Okuno, qui possède une connaissance unique de l'état de l'art. De plus, les matériaux 2D sont accessibles grâce à une collaboration avec la société Nanomegas. Par conséquent, ce projet de thèse n'a pas besoin de se préoccuper d'obtenir des échantillons pertinents et de haute qualité, et peut se concentrer sur le développement de la technique MET, et simultanément obtenir des informations précieuses sur les propriétés des matériaux.

Le doctorant sera embauché à l'Institut Néel, mais travaillera également au CEA-Grenoble. Le candidat intégrera l'équipe MRS à Néel, mais aussi le groupe de microscopie au CEA : LEMMA.

Contraintes et risques

Les risques potentiels peuvent être l'indisponibilité des échantillons, ainsi que des problèmes techniques de l'équipement MET (compliqué). Ces risques sont atténués par la présence de plusieurs chercheurs (à la fois doctorants, post-doctorants et permanents) travaillant sur la fabrication des échantillons. De plus, grâce à la collaboration entre les deux instituts, de multiples instruments MET sont accessibles à ce projet.

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