Description du sujet de thèse

Les progrès dans la manipulation quantique d'atomes froids ont déjà conduit au développement de capteurs ayant un impact industriel important (gravimètres appliqués à l'hydrologie ou au génie civil, déjà commercialisés ; capteurs inertiels pour la navigation, en phase avancée de développement), mais les capteurs reposant sur des systèmes quantiques solides à base de semi-conducteurs n’en sont encore qu’à leurs balbutiements, malgré des atouts remarquables. Parmi ces systèmes, le centre NV- (azote-lacune) dans le diamant est apparu comme un capteur très polyvalent, permettant de mesurer des paramètres physiques tels que champs magnétiques et électriques, tension, pression et température…, ceci à des échelles allant du nanomètre au millimètre, offrant ainsi des capacités d'imagerie avec des performances de résolution et de sensibilité exceptionnelles. Le développement rapide de ces capteurs tient à leur capacité à fonctionner à température ambiante, à celle d’initialiser et de lire optiquement leur état quantique et à la stabilité du diamant. Cependant, à l’exception des magnétomètres à pointes et des détecteurs sensibles de bio-analytes, les transferts technologiques d'autres modalités de détection à base de centres NV sont encore freinés par le développement insuffisant de procédés de mise en forme micro- et nanométrique du diamant.
L'ambition de SINFONIA est d’établir une chaîne de valeur nationale de nouveaux capteurs NV, allant de la croissance de films de diamant de « qualité quantique », à la préparation de membranes planes ou nano-structurées ayant de fortes concentrations en NV, jusqu’à leur intégration dans un magnétomètre industriel permettant le contrôle non destructif de matériaux et dans un imageur de l'activité électrique de neurones en culture.
L’objectif de ce travail de thèse concerne la première brique technologique de ce projet qui est la fabrication de membranes de diamant fortement dopé en centres NV ayant des épaisseurs variant de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres. En partant de lamelles de diamant de 100 µm d’épaisseur obtenu grâce à un système de découpe laser guidé par jet d’eau acquis très récemment au laboratoire grace au projet Equipex+ e-Diamant, des procédés d’amincissement couplant des gravures par plasma ICP-RIE associés à des étapes de polissage seront développés. En parallèle, des procédés de photolithographie seront optimisés dans la salle blanche de l’Université Sorbonne Paris Nord de manière à pouvoir structurer la surface des membranes de diamant réalisées et venir former des réseaux de piliers qui seront utilisés pour développer des systèmes permettant de détecter l'activité neuronale à l'échelle sub-micrométrique en se basant sur des capteurs à base de centre NV. La caractérisation structurale du matériau sera réalisée par microscopie confocal laser, spectroscopie Raman, photoluminescence et cathodoluminescence. Les propriétés de spin des centres NV seront finalement évaluées à travers plusieurs collaborations notamment présentes dans le consortium constitué dans le cadre du projet SINFONIA.

Contexte de travail

La thèse s'effectuera au Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, CNRS LSPM UPR3407, sur le campus de Villetaneuse (Université Sorbonne Paris Nord). Le / la doctorant(e) s'insérera au sein de l'axe PPANAM (Procédés Plasmas, Nanostructures et Films Minces) et plus particulièrement de l'opération de Recherche DMC (Diamant et Matériaux Carbonés). Le travail développé s’inscrit dans le cadre du projet ANR SINFONIA qui regroupe 4 partenaires académiques et 2 startups (HiQuTe diamond et Kwan-Tek (ex-Wainvam-E)) et le/la doctorant(e) recrutée bénéficiera dans le cadre de son travail de ce réseau de collaborations en particulier pour caractériser et validés ses développements.
Le candidat devra montrer un intérêt prononcé pour les sciences expérimentales (élaboration, caractérisation de matériaux, techniques de microfabrication en salle blanche) et de bonnes connaissances dans divers domaines scientifiques (science des matériaux, physique expérimentale). Le candidat devra être capable de s'intégrer dans une équipe de scientifiques et devra parler l'anglais avec aisance.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que l’arrivée du candidat soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.