CE09 - Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur

Dopage à l'échelle nano – DONNA

Résumé de soumission

La découverte de résonances de plasmon de surface localisées (LSPR) dans des nanocristaux (NCs) semi-conducteurs dopés a ouvert un nouveau champ en plasmonique. Ainsi, les NCs semi-conducteurs dopés pour la plasmonique ont reçu une attention particulière au cours des dernières années, avec des contributions pionnières récentes de célèbres universités internationales. En France, ce sujet reste inexploré avec peu de contributions théoriques et expérimentales récentes, principalement en raison de défis de synthèse. En particulier, il n’existe pas de vision claire quant à l'insertion atomique et à l'activation des dopants et à la manière efficace de les introduire à l'échelle nanométrique. Dans ce contexte, le projet DONNA vise à la synthèse de NCs semi-conducteurs dopés de manière efficace. Le Si a été choisi pour sa compatibilité avec la technologie CMOS, qui favorise son utilisation pour de futures applications. Les NCs-Si seront élaborés par 3 voies physiques et intégrés dans une matrice de SiO2 dans une approche « safe by design », afin de les protéger de l’oxydation et d’une éventuelle dissémination.
Le but du projet DONNA est de développer des systèmes modèles et de nouvelles approches pour un dopage efficace à l'échelle nanométrique. Les 2 jalons sont : (M1) le contrôle de l'insertion des dopants actifs dans les NCs et (M2) la mesure de cette activation. Le premier jalon nécessite un effort important en termes de synthèse en utilisant de nouvelles voies impliquant des systèmes modèles et des conditions hors d'équilibre. En particulier, le recuit thermique laser (LTA) sera utilisé pour l'activation des dopants. Une approche similaire a été appliquée avec succès pour la fabrication de jonctions ultra-minces dans le Si massif. Le second jalon nécessitera l'utilisation systématique d’une caractérisation structurale et chimique à l'échelle nanométrique, avec des techniques à la pointe de l'état de l’art comme le STEM-EDS et la sonde atomique tomographique pour la cartographie 2D et 3D des dopants dans les NCs. De plus, une technique tout optique basée sur la génération de LSPR dans des NCs-Si dopés sera utilisée comme outil de mesure de la concentration de dopants actifs.
Ce projet est un PRCE regroupant des laboratoires du CNRS et du CEA et une PME (IBS). Les partenaires appartiennent à la communauté des nanomatériaux (CEMES, IJL, GPM) et à celle de la microélectronique (IBS, LAAS, LETI) apportant les complémentarités nécessaires à la réussite du projet. DONNA est un projet de recherche fondamentale (TRL1) visant la conception d'assemblages complexes et fonctionnels de nano-objets. Le premier impact à court terme est de produire des connaissances sur le dopage à l'échelle nano qui pourront être étendues aux autres NCs semi-conducteurs. Les avancées technologiques attendues concernent d'abord un défi de synthèse avec une preuve de concept: la nouvelle approche proposée, impliquant des processus hors équilibre comme le LTA, devrait permettre de repousser les limites de la thermodynamique, de contourner le mécanisme d'auto-purification et de conduire à une augmentation significative du taux d'activation. Par ailleurs, comprendre et maîtriser les mécanismes impliqués dans le processus de dopage à l'échelle nano est une étape préalable pour de futures applications impliquant ces NCs. Parmi elles, la génération de LSPR (du MIR au NIR) dans ces nouveaux matériaux pour la plasmonique ouvrira la voie à des dispositifs plasmoniques actifs, reconfigurables et compatibles CMOS. Pour le partenaire industriel, ce projet apportera une nouvelle expertise dans la production de NCs fonctionnels. Cela ouvrira à court terme de nouveaux marchés pour ses implanteurs PULSION® dans des secteurs en forte croissance comme des capteurs chimiques compatibles avec la technologie Si ou des applications en photovoltaïque nécessitant l’exaltation du champ électromagnétique sans chauffage local.

Coordination du projet

Caroline BONAFOS (CENTRE D'ELABORATION DE MATERIAUX ET D'ETUDES STRUCTURALES)

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

GPM Groupe de Physique des Matériaux
IJL Institut Jean Lamour (Matériaux - Métallurgie - Nanosciences - Plasmas - Surfaces)
LAAS-CNRS Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS
IBS ION BEAM SERVICES
CEA - LETI Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
CEMES CENTRE D'ELABORATION DE MATERIAUX ET D'ETUDES STRUCTURALES

Aide de l'ANR 616 433 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 36 Mois

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