DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Substrats bas couts polycristallins et Nanofeuillets de germination – Polynash

Afin de réaliser ce projet, deux équipes différentes sont affectées à chaque type de support : les nanofeuillets sont développés à l’ISCR de Rennes tandis que les substrats polycristallins sont synthétisés au CRISMAT de Caen. Enfin les différents films d’oxydes complexes sont déposés dans les différents laboratoires partenaires ISCR, CRISMAT et GEMaC de Versailles. Différentes techniques de couches minces sont ainsi mises à disposition telles que l’ablation laser pulsé dans les 3 laboratoires, mais aussi des techniques pour aller vers les plus larges surfaces telles que le dépôt par solution chimique à Rennes et le dépôt de couches atomiques à Versailles. Ainsi chaque laboratoire partenaire peut apporter ses compétences dans les caractérisations structurales et physiques à l’échelle macroscopique mais aussi microscopique par champ proche pour le laboratoire de Versailles dont une partie du matériel a été financé par ce projet.

Afin de tester la viabilité de ces différents substrats, différentes familles de matériaux ont été testées pour leurs propriétés fonctionnelles.
Les oxydes en couches minces synthétisés dans le cadre du projet ont été soigneusement sélectionnés en raison de leur importance en spintronique : la manganite (La, Sr)MnO3 (LSMO), BiFeO3 (BFO ) et le grenat Y3Fe5O12 (YIG), mais aussi pour leurs propriétés fonctionnelles piezoélectriques : KNbO3 mais aussi des applications plus récentes pour les pérovskites, les oxydes conducteurs transparents SrVO3 et CaVO3. Enfin le Pt a aussi été utilisé sur nanofeuillets de germination afin de réaliser une électrode pour l’intégration du PbZrTiO. Tous ces oxydes présentent leur propriété fonctionnelle à température ambiante faisant de ces matériaux des systèmes idéaux pour des applications. De plus, cela permet l'utilisation de la microscopie à sonde locale à température ambiante pour l'étude locale des propriétés fonctionnelles, particulièrement intéressantes sur les substrats CSE. Les propriétés des matériaux massifs et des couches minces sont bien connues, et leurs croissances sont déjà maîtrisées au sein du consortium.

Trois techniques de dépôt seront utilisées dans le cadre de ce projet :
- Ablation laser pulsée (PLD), une technique à haute température (~ 400-800°C) qui permet la croissance d'oxydes épitaxiés avec un bon transfert d'épaisseur de stœchiométrie cationique (de la monocouche jusqu'au micron) sur des substrats de quelques mm2 de large.
- Atomic Layer Deposition (ALD), une technique à basse température (100-400°C), qui permet la croissance d'oxydes épitaxiés de quelques nanomètres d'épaisseur sur un substrat de quelques cm² de large
- Chemical Solution Deposition (CSD), une technique à basse température (~ 300°C), qui permet la croissance d'oxydes épitaxiés de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur sur des substrats de largeur cm2. L'épaisseur peut être augmentée jusqu'à quelques centaines de nanomètres par des dépôts itératifs

Le projet a été très dynamique avec une bonne synergie entre les différentes équipes. Ainsi une grande diversité de matériaux a pu être synthétisée avec les 2 approches. Il est ainsi apparu, que nos substrats bas coûts permettent la synthèse des matériaux avec des propriétés proches des couches minces déposées sur monocristal. Enfin des matériaux comme les métaux (platine) et des conducteurs d’oxydes transparents non prévus au début du projet ont été intégrés sur verre et silicium. De plus une nouvelle thématique a aussi complété l’effort d’intégration des oxydes complexes par couches sacrificielles. Ces résultats ont permis un dépôt de projet ANR sur les TCOs et l’obtention d’une ANR (2021) avec des couches sacrificielles et nanofeuillets de germination sur substrats flexibles.

Les objectifs initiaux ont été atteints dans la majorité des approches et même dépassés.
Tous les substrats polycristallins n’ont pu être réalisés, cependant la maitrise d’un seul type de substrats a permis de mettre une méthodologie en place à travers les paramètres de synthèse, procédé de polissage mais aussi les différentes caractérisations structurales, microstructurales et morphologiques qui permettra dans le futur de réaliser les autres substrats avec différentes tailles de grains.
Le projet s’est focalisé sur les propriétés physiques des films polycristallins déposés sur ces substrats et actuellement, nous nous focalisons sur les propriétés à l’échelle des grains.
Dans le cadre des nanofeuillets, nous avons pu montrer que les films texturés sur ces supports présentent des propriétés proches des substrats massifs. Ainsi nous ouvrons la possibilité d’intégrer les oxydes complexes sur des substrats bas coûts tel que le silicium et le verre.
Avec ces résultats préliminaires, nous pouvons maintenant penser à de nouvelles perspectives avec ces nanofeuillets :
Lors du projet, 4 types de nanofeuillets ont été synthétisés pour induire différentes textures mais seulement 2 ont pu être testés pour la reprise d’épitaxie. Nous devons donc réaliser une étude systématique des autres nanofeuillets afin d’étudier les propriétés des matériaux en fonction de leur direction de croissance.
Un autre challenge serait d’essayer d’obtenir des nanofeuillets de grande taille supérieure à 500 micromètres ce qui permettrait d’utiliser les nanofeuillets comme monocristal et s’affranchir des joints de grains.
De plus, nous avons utilisé les nanofeuillets pour leur propriété structurale et induire une relation d’épitaxie. Nous pourrions aussi essayer de fonctionnaliser ces nanofeuillets (magnétisme, ferroélectricité, métallicité…) pour induire de nouvelles fonctionnalités entre les nanofeuillets et les films déposés.
Enfin, de nouveaux nanofeuillets sont à synthétiser pour ainsi modifier les paramètres de maille et offrir un large choix de nanofeuillets dont les paramètres seraient proches des matériaux massifs.
Enfin, les couches sacrificielles à base de SVO sont une alternative aux substrats bas coût avec le transfert direct des couches fonctionnelles sur support. Le potentiel est très intéressant, même si les couches transférées présentent des cracks et ne sont pour le moment pas uniformes.

15 publications ont été acceptées lors de ce projet dont 11 communes et 4 avec un seul partenaire.
Une demande d’invention «Synthèse d’électrodes sur nanofeuillets« a malheureusement été rejetée et transformée en publication.
3 publications sont en cours de rédaction et 1 publication a été soumise.
17 oraux et 13 posters ont été réalisés lors de ce projet.

Résumé de soumission

Le but du projet PolyNASH est de développer la croissance et l’étude d’oxydes fonctionnels (OF) sur des substrats à bas coûts et de proposer une nouvelle solution pour l’intégration de ces oxydes complexes (OC) à propriétés multifonctionnelles pour l’électronique sur grandes surfaces. En effet, la miniaturisation des éléments électroniques arrive à une limite et de nouvelles solutions sont recherchées afin d’augmenter l’intégration de nouvelles fonctionnalités (approche « More than Moore »). Des matériaux tels que les OC proposent des propriétés telles que le ferromagnétisme, la ferroélectricité, le multiferroisme …, qui ne sont pas présentes dans les semi-conducteurs, et sont ainsi très prometteurs pour le développement d’une nouvelle génération de matériaux en microélectronique, l’électronique basée sur les oxydes : « oxytronique ». Un des freins au développement des dispositifs originaux par un réseau de start-up ou d’industries technologique, est le coût de fabrication complet depuis les substrats jusqu’à la fin de processus.
Dans ce projet, nous allons mettre en place deux approches afin de développer ces substrats à bas coût :
1 /Croissance sur substrat par épitaxie combinatoire (CSE)
2/ Epitaxie sur Nanofeuillets de germination (2D-NS).
Ces 2 types de substrats ont l’avantage de pouvoir être synthétisés pour une large gamme d’OF et d’offrir une alternative aux substrats monocristallins relativement chers et qui proposent un choix limité de matériaux et d'orientations cristallographiques.
Ceci est particulièrement important afin d’exploiter les propriétés fonctionnelles des OC, dont les anisotropies (magnétisme, ferrolectricité…) sont typiquement liées à leur orientation cristalline. Dans le cas des CSE, toutes les orientations possibles peuvent être obtenues en un seul échantillon et permettent ainsi d’étudier avec un seul dépôt de nombreuses expériences réalisées sur les substrats commerciaux monocristallins. Ainsi pour chaque matériau, nous pouvons étudier et isoler les meilleures relations propriétés-orientations et par conséquent les transférer sur d’autres types de substrats comme les 2D-NS. Ces nanofeuillets sont à 2 Dimensions avec une épaisseur moléculaire et comparativement infinis dans le plan. Ils ont des paramètres de mailles leur permettant d'être utilisés comme site de germination afin d’induire une épitaxie des OC. De plus ces 2D-NS ont la particularité de pouvoir être déposés sur tous types de support sans limitation de surface tel que le Silicium.
Ainsi ce projet vise à démontrer le potentiel de ces 2 types de substrats sur différentes familles d’OC : pérovskite, grenat et illménite pour leurs propriétés multifonctionnelles et de magnétisme et qui sont étudiés entre autres pour la spintronique. Le projet est organisé de manière à ce que les deux matériaux soient optimisés et étudiés en parallèle et propose un transfert des CSE vers les 2D-NS. Pour cela ce consortium englobe la gamme complète des compétences nécessaires pour mener à bien le projet, qui comprend des experts dans le domaine de croissance des 2 types de substrats : le CRISMAT de Caen (CSE) et l'ISCR de Rennes (2D-NS). Les OC seront déposés par ablation laser pulsé par les partenaires qui ont déjà optimisé les matériaux pérovskite (CRISMAT) et grenat et ilménite (GEMaC) tandis que l’intégration des OC sur de larges surfaces sera réalisée par Atomique Layer Deposition au GEMAC et Chemical Solution Deposition à l’ISCR. La caractérisation des couches minces seront réalisées structuralement au CRISMAT et à l’ISCR, et les caractérisations physiques macroscopiquement au CRISMAT et à l’échelle locale au GEMaC.
L’élaboration de ces substrats vont permettre l’étude de la croissance d’oxydes complexes et leur intégration sur des substrats universels et à large surface. Ceci permettra de proposer le développement d’une technologie en rupture dans le domaine des dispositifs basés sur le silicium.

Coordinateur du projet

Monsieur Arnaud FOUCHET (Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISCR Institut des Sciences Chimiques de Rennes
GEMaC Groupe d'études de la matière condensée
CRISMAT Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux

Aide de l'ANR 593 775 euros
Début et durée du projet scientifique : novembre 2017 - 42 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter