Thèse Etude de la Croissance de Matériaux 2D en Conditions Ambiantes pour la Fabrication de Dispositifs Electroniques Performants et Eco-Responsables. H/F

Université de Lille

Établissement : Université de Lille
École doctorale : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
Laboratoire de recherche : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Direction de la thèse : Sébastien PECQUEUR ORCID 0000000284536413
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-06T23:59:59

Ce projet vise d'abord à étudier la faisabilité à électrogénérer des matériaux 2D (ou SCOFs) directement sur des dispositifs en silicium et ensuite identifier une nouvelle classe de polymères semi-conducteurs ne pouvant être synthétisé via des procédés chimiques standards pour le dépôt par voie humide. Pour y arriver, des monomères spécifiques seront synthétisés à l'IEMN, conçus pour leur planarité, leur délocalisation pi-sigma-pi intégrale, et leur réticulabilité sur une surface plane en 2D. D'une part, le dépôt de ces monomères sera effectué sur des surfaces métalliques sous ultra-vide (UHV) avec des cellules de Knudsen, avant un recuit thermique pour activer leur réaction intermoléculaire sur surface et former des matériaux 2D ou SCOFs. Ces monocouches moléculaires seront caractérisées in situ par microscopie à effet tunnel (STM) et à force atomique sans contact (nc-AFM) pour élucider leur morphologie et confirmer leur nature 2D stricte à l'échelle d'une monocouche, alors que la spectroscopie à effet tunnel (STS) permettra d'évaluer localement leur structure électronique. D'autre part, des micro-électrodes seront fabriquées (via lithographie à faisceau d'électrons en salle blanche) pour électropolymériser les monomères dans des conditions douces et à petite échelle sur des puces en silicium, pour en étudier les propriétés électriques et électrochimiques de ces matériaux 2D et électrogénérés. Des performances de matériau seront extraites (telles que la conductivité électrique et la mobilité des trous) comme des performances de dispositif (tension de seuil de transistor, stabilité du courant dans le temps et dans des conditions environnementales diverses) pour démontrer l'applicabilité de ces matériaux pour l'électronique.

Les matériaux bidimensionnels (2D) et les réseaux covalents organiques de surface (SCOFs) sont non-seulement exceptionnels pour l'électronique, mais aussi pour des applications avancées dans la purification/désalinisation de l'eau, la détection de gaz, la récupération d'énergie solaire et le stockage d'énergie à forte capacité. Leurs structures uniques et le contrôle de leurs propriétés pourraient jouer un rôle déterminant dans les technologies durables pour l'évaluation de la pollution environnementale et la production d'énergies vertes, entre autres. Cependant, les techniques de fabrication conventionnelles pour de tels objets, précis dans leur échelle atomique, dépendent notamment des méthodes de fabrication telles que l'épitaxie par jet moléculaire (MBE) ou le dépôt chimique en phase vapeurs (CVD), qui requièrent des équipements sophistiqués, des niveaux de pression ultra-vide (UHV) et ont de forts besoins en énergie et matériaux, ce qui augmente significativement leur coût de production et leur mise à l'échelle. La manufacture additive électrochimiquement assistée d'un autre coté peut être un moyen de déposer des semi-conducteurs stratégiques sur des puces en silicium en utilisant l'électrochimie : quelques volts et microcoulombs par dispositif suffisent à co-intégrer des polymères conducteurs avec un rendement approchant les 100% dans des conditions ambiantes, générant presque pas de déchets et utilisant des solvants non-toxiques (Moustiez et al 2025).

Two-dimensional (2D) materials and surface covalent organic frameworks (SCOFs) are exceptional not only for electronics, but also for advanced applications in water purification/desalination, gas sensing, solar energy harvesting, and high-capacity energy storage. Their unique structures and tunable properties could play a pivotal role in sustainable technologies, supporting green energy policies, mitigating environmental pollution, etc. However, conventional fabrication techniques for such atomically precise structures typically relies on deposition methods such as molecular beam epitaxy (MBE) or chemical vapor deposition (CVD) demanding sophisticated instrumentation, ultra-high vacuum (UHV) conditions, and significant energy and material resources, which limit scalability and increase cost. Electrochemically-assisted additive manufacturing on the other hand can be a mean to deposit strategic organic semiconductors on silicon microchips using electrochemistry: few volts and microcoulombs per devices suffice to cointegrate conducting polymers in a near 100% yield in ambient conditions, generating almost no waste and using non-toxic solvents (Moustiez et al 2025).