Effets de charges de surface dans les nanofils fonctionnalisés de GaN et ZnO : Etude et contrôle – SCENIC

Grâce à leurs dimensions nanométriques et à leur grand rapport d’aspect, les nanofils (NFs) semi-conducteurs de diamètre inférieur à 100 nm sont sujets à un large éventail de nouveaux phénomènes physiques, inexistants ou non exprimés à l'échelle micrométrique. Les effets de charges de surface (ECS) sont l’un de ces phénomènes qui s’expriment fortement à l’échelle nanométrique et qui affectent profondément les propriétés des NFs, et donc les performances des dispositifs les intégrant, tels que les générateurs piézoélectriques (PZ). Malgré leur influence cruciale, les ECS sont trop souvent négligés dans la conception de ces dispositifs à base de NFs, car ils sont largement inconnus ou non maîtrisés.
Le projet SCENIC traite des questions fondamentales relatives à l’impact de ces charges de surface pour en contrôler les effets sur les propriétés des NFs de GaN et ZnO (diamètre inférieur à 100 nm), deux systèmes typiques cristallisant selon la phase wurtzite, et dans lesquels les ECS sont très marqués. Ces charges de surface étant modulées par le matériau constituant les NFs (nature du matériau, morphologie, dimensions, dopage…), et sensibles à la fonctionnalisation de ces derniers (avec des matériaux inorganiques selon une configuration cœur-coquille, adsorbats chimiques…), nous étudierons différents couplages entre les NFs actifs et leur environnement. En combinant divers outils de nano-caractérisation, notamment la microscopie à force atomique (AFM) selon différents modes, des simulations numériques prédictives utilisant la méthode des éléments finis intégrant de nombreux phénomènes physiques (mécanique, effets électromécaniques, physique des semi-conducteurs), et une comparaison directe entre les deux systèmes de nanofils de GaN et de ZnO synthétisés par des techniques en phase vapeur (respectivement MBE et MOCVD) et présentant une qualité cristalline élevée, le projet SCENIC a pour ambition de proposer des solutions de nano-ingénierie de ces effets, permettant alors d’optimiser les courbures de bandes (ancrage du niveau de Fermi) en surface en lien avec les applications piézoélectriques. L’architecturation avantageuse de ces effets de surface sera ensuite validée au travers de la fabrication et des tests de dispositifs piézoélectriques à base de NFs dans lesquels les ECS ont un rôle prépondérant sur leurs performances.
Le projet SCENIC est un projet fondamental, impliquant des recherches de pointe dans les domaines des nanomatériaux, de la physique à l'échelle nanométrique (ECS), de la modélisation, et des nano- micro-technologies (validation de dispositifs), avec un objectif applicatif dans le domaine des générateurs piézoélectriques. Le projet repose sur un partenariat complémentaire entre le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), le Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique (LMGP), le groupe de Génie électrique et électronique de Paris (GeePs) et l'Institut de Microélectronique Electromagnétisme et Photonique et le Laboratoire d'Hyperfréquences et de Caractérisation (IMEP-LaHC). Le consortium qui se caractérise par une forte expertise en matière de croissance des nanomatériaux, de caractérisations physiques, électriques et chimiques à l'échelle nanométrique avec des équipements spécifiques de caractérisation ultimes basés sur la technique AFM, de simulations et de fabrication et caractérisation de dispositifs à base de NFs, regroupe ainsi toutes les compétences requises pour répondre aux objectifs ambitieux de ce projet.