Description du sujet de thèse

Contexte : L’étude d’oxydes de structure pérovskite déficients en oxygène constitue un domaine de recherche en pleine expansion, dont le but est de découvrir de nouveaux matériaux fonctionnels à fort potentiel pour de nombreuses applications. C’est en particulier le cas des nickelates de terre rare RNiO3-x qui, depuis plusieurs années, ont motivé un important effort de recherche fondamentale, tant expérimentale que théorique, afin de mieux comprendre leurs diagramme de phases très riches, incluant des phases cristallographiques métalliques, isolantes et paramagnétiques, ou antiferro- magnétiques. Ces composés ont acquis récemment une notoriété encore plus importante suite à la découverte d’un état supraconducteur dans des structures (Nd,Sr)NiO2 à plans carrés infinis. Du fait des corrélations électroniques importantes dans ces composés et de leur structure cristalline facilement modulable par mise en ordre des lacunes d’oxygène, ces matériaux sont également considérés comme des candidats prometteurs pour la réalisation de dispositifs memristifs permettant des applications neuromorphiques.
Objectifs : Au cours de cette thèse, nous calculerons numériquement les propriétés physiques (structure atomique et électronique, moments magnétiques de spin et orbitaux) d’oxydes RNiO3 (R = La, Nd ou Pr). Nous étudierons ensuite la stabilité thermodynamique de phases RNiO3-x, en fonction de la distribution des lacunes d’oxygène et des déformations structurales induites par la présence de ces défauts. Le premier objectif de la thèse sera de comprendre le lien étroit qui relie les distorsions atomiques générées dans les possibles phases de l’oxyde RNiO3-x et la modification de leurs propriétés électroniques par rapport à celles du cristal parfait RNiO3. Nous chercherons ensuite à comprendre les mécanismes permettant des transitions de phase entre les différentes structures métastables qui auront été découvertes. Finalement, nous essaierons de comprendre comment la stabilité des différentes phases et leurs transitions peuvent être modulées via l’application de contraintes épitaxiales et la polarisation électrique d’un matériau ferroélectrique adjacent.
Méthode : Durant cette thèse, des calculs ab initio de la structure électronique des nickelates seront réalisés en utilisant le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Le travail réalisé pourra éventuellement comprendre une partie de développement des codes nécessaires au post-traitement des résultats DFT. En fonction de l’avancée des résultats, l’étude pourra être étendue vers l’établissement de modèles pour tenir compte des effets de température.

Prérequis : Le candidat devra posséder de bonnes connaissances en physique de la matière condensée et mécanique quantique, ainsi qu’un fort intérêt pour la physique numérique. Il devra également être capable de communiquer aisément ses résultats, à l’oral comme à l’écrit. Une maîtrise correcte d’au moins un langage de programmation est également souhaitée.

Contexte de travail

La thèse se déroulera au CEMES-CNRS à Toulouse, dans le cadre du projet « Génération de phases métastables dans les nickelates pour le développement de fonctionnalités neuromorphiques » (TaMe) financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR). Le projet TaMe réunit des expérimentateurs et théoriciens de 3 laboratoires français, avec lesquels des échanges réguliers seront entretenus. L'étudiant aura recours à l'utilisation de ressources de calculs fournies par le mésocentre CALMIP ou les centres nationaux GENCI.

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

Aucun