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Labex MATISSE
MATériaux, InterfaceS, Surfaces, Environnement

Oxydes Conducteurs Transparents par dopage de charge d’espace.

Fiche technique

  • Intitulé : Oxydes Conducteurs Transparents par dopage de charge d’espace
  • Thèmes : Dimensionnalité et confinement
  • Financement :
    - Labex : 26%
    - ANR SUPERTRAMP : 19%
    - UPMC (labo) : 5%
    - MATISSE (Post-doc J.Biscaras) : 2%
    - Reconditionnement matériel : 48%
  • Responsable scientifique du projet : Johan Biscaras
    Maître de Conférences UPMC, équipe MIMABADI de l'IMPMC
  • Co-porteurs : Ricardo Lobo (LPEM ESPCI / Conductivité Optique)
  • Localisation : IMPMC, Université Pierre et Marie Curie (Sorbonne université)

Projet scientifique

Ce projet porte sur la mise en place d'un système de mesure magnéto-transport / effet Hall sous ultra-vide. Cet équipement est constitué d'un cryostat à flux d'hélium basse consommation et d'un électro-aimant résistif (~1.6 T). Le but de cette demande est de compléter le financement de ce système, dont plusieurs éléments ont été acquis ces deux dernières années.

Ce système de mesure est essentiel pour l'utilisation d'une technique innovante de dopage électrostatique permanent de matériaux déposés sur substrats de verres que nous avons développé à l'IMPMC (brevet labellisé MATISSE déposé en juillet 2015 [1]). Cette technique que nous avons appelée dopage par charge d’espace, permet, par la migration des ions présents dans le substrat de verre (par exemple sodium), de créer une charge d'espace à l'interface entre le verre et le matériau dopé. Cette charge d'espace joue le même rôle que l'électrode de grille dans les dispositifs FET, et permet de contrôler la charge, et donc les propriétés électroniques (conductivité) du matériau.

La distance nanométrique entre cette charge d'espace et le matériau permet d'amplifier grandement l'effet de champ par rapport au FET classique, et d'atteindre des densités de porteurs surfaciques de l'ordre de 1014 cm-2, deux ordres de grandeur de plus qu'un dispositif FET en silicium.

La mobilité ionique dans le substrat de verre étant activée thermiquement, cette technique permet de modifier le dopage à haute température (ions mobiles) et de le geler de manière permanente à la température ambiante (ions figés) avec des avantages évidents pour les applications pratiques. Nous avons récemment appliqué cette technique à différents matériaux lamellaires d'épaisseurs nanométriques déposés sur la surface du verre, comme le graphène[2] et le disulfure de molybdène[3].

Une application prometteuse de cette technique est la création d'électrodes transparentes, qui représente un marché industriel gigantesque car ces électrodes sont utilisées dans de très nombreuses applications : LEDs, OLEDs, écrans plats, écrans tactiles, verres intelligents. Les électrodes transparentes actuelles sont fabriquées par un dépôt d'une couche mince d'un oxyde dont le dopage chimique et l'épaisseur sont ajustés pour avoir le meilleur compromis entre deux propriétés intrinsèquement antinomiques : la conductivité et la transparence.

Dans ce projet nous proposons d'appliquer notre technique de dopage par charge d'espace à des couches minces d'oxydes déposées sur substrats de verre par :

  • L'étude systématique des propriétés de transport électronique de couches minces d'oxydes dopées à très fort dopage électrostatique. En effet beaucoup d'oxydes isolants ou semi-conducteurs peuvent être dopés chimiquement jusqu'à la transition métal-isolant, ou encore jusqu'à la supraconductivité (par exemple dans les oxydes de cuivres).
  • L'étude des performances de ces couches minces dopées dans le cadre de la fabrication d'électrodes transparentes.

Le système de mesure de magnéto-transport, conçu pour être modulable et versatile, permet d'accéder aux propriétés de transport électronique de matériaux et de dispositifs sur une large gamme de température (3 K - 420 K), sous ultra-vide (10-7 mbar), et sous champ magnétique avec diverses orientations possibles (changement in-situ de champ perpendiculaire à champ parallèle).Ces caractéristiques permettent d'effectuer les traitements de surfaces par recuits sous vide nécessaires à l'étude d'échantillons nanométriques. L'électronique de mesure, entièrement modulable, permet de mesurer tous les types de comportements électroniques (isolant, semi-conducteurs, métalliques) et de phénomènes quantiques (localisation, supraconductivité, effet tunnel) en DC et AC basses fréquences. Il permet nativement d'intégrer une tension de grille pour le dopage électrostatique des matériaux.

Cet équipement s'intègre dans le développement de la thématique de dopage par charge d'espace de l'équipe MIMABADI au sein de l'IMPMC (Biscaras, Shukla). Nous sommes en collaboration avec plusieurs équipes et laboratoires à l'UPMC (INSP, Marangolo, Eddrief ; LPEMESPCI, Lobo), et à l'institut Néel (Toulemonde). Cette thématique, soutenue par MATISSE, est à l'origine d'un brevet et de plusieurs articles en 2015 (voir ci-dessus). Deux thèses sont actuellement en cours et une troisième débutera en novembre 2016 grâce à un financement MATISSE. Cet équipement sera également disponible pour le développement d'autres thématiques. Nous sommes en effet associé à un projet soutenu par MiChem de transport dans des films de nanoparticules magnétiques (IPCM/MONARIS).

17/01/19

Traductions :

    MATISSE en chiffres

    • 4 disciplines : Chimie, Physique, Sciences de la Terre, Patrimoine
    • 400 permanents

    Contact

    Direction

    Florence Babonneau

     

    Administration

    matisse @ upmc.fr

     

    Communication

    Emmanuel Sautjeau

    emmanuel.sautjeau @ sorbonne-universite.fr