Thèse Croissance de Couches Minces d'Oxydes Fonctionnels par la Combinaison des Techniques Hipims et Gifad Haute-Pression H/F

Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay
Direction de la thèse : Hocine KHEMLICHE ORCID 0000000277858940
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Sous forme de couches ultrafines, les matériaux peuvent présenter des propriétés intéressantes qui diffèrent de celles des matériaux massifs. Au-delà des applications potentielles rendues possibles par ces propriétés, décrire et comprendre les mécanismes de formation de ces couches ultrafines et leur impact sur les propriétés (structurelles, électroniques, optiques, etc.) représente un défi fondamental. Pour atteindre cet objectif, il est essentiel de pouvoir surveiller le processus de croissance en temps réel et de décrire ses paramètres clés (vitesse et mode de croissance, morphologie et structure cristalline, niveau de contrainte) avec une grande sensibilité. Pour le dépôt sous vide, la diffraction des électrons à haute énergie à incidence rasante (RHEED) répond assez bien à cette condition ; la RHEED est largement utilisée pour surveiller l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) et son utilisation a été étendue au dépôt par laser pulsé (PLD). Néanmoins, en raison des champs électromagnétiques présents dans la zone de dépôt, la RHEED est incompatible avec le dépôt par pulvérisation plasma magnétron. Cependant, ce mode de dépôt est devenu une technologie mondiale pour produire une grande variété de nanostructures en couches minces, des métaux aux oxydes et aux matériaux 2D.
Nous avons développé une nouvelle technique d'analyse de surface exploitant la diffusion quantique d'atomes d'hélium avec une énergie d'environ keV. Appelée GIFAD (Grazing Incidence Fast Atom Diffraction), cette technique est une alternative/un complément avantageux à la RHEED, car elle offre une bien meilleure sensibilité de surface et fournit des informations plus riches sur la structure cristallographique et la dynamique de croissance. Dans une nouvelle configuration, la technique GIFAD peut désormais fonctionner à des pressions allant jusqu'à 10^-2 mbar, ce qui permet de l'utiliser pour les modes de dépôt fonctionnant à « haute pression » (PLD réactive, CVD, pulvérisation magnétron). Les résultats préliminaires obtenus dans une chambre de dépôt HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering, une variante de la pulvérisation magnétron plasma) sont encourageants. L'objectif du stage est de progresser dans les mesures en temps réel appliquées à la croissance de couches minces d'oxydes (TiO2, VO2) par dépôt réactif (en présence d'oxygène), mais aussi de matériaux 2D (dichalcogénures de métaux de transition). Nous nous concentrerons en particulier sur la résolution de la dynamique de croissance à un stade précoce à l'interface et sur l'influence des paramètres de dépôt (puissance et durée des impulsions, pression d'oxygène, tension d'accélération des ions pulvérisés, etc. ). Le HiPIMS étant particulièrement favorable à la croissance épitaxiale, la caractérisation en temps réel rendue possible par le GIFAD devrait faciliter l'optimisation des paramètres de dépôt et permettre d'obtenir des couches minces présentant des propriétés structurelles optimales.
Ce projet s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'ISMO et le LPGP (Laboratoire de physique des gaz et des plasmas, Université Paris-Saclay) et bénéficie du soutien du CNRS à travers le programme Prématuration.

Thin layers of functional oxides are expected to play a key role in future devices. The ability to growth them reproducibility and with controlled properties represents a major challenge. For that purpose, real-time characterization tools, with high sensitivity, are essential.

Understand the relationship between deposition parameters and layer structure and produce layers with tailored properties

Due to stray electric and magnetic fields, electron diffraction techniques are not compatible with film growth by magnetron sputtering. We propose to use instead fast He atom diffraction at grazing incidence (GIFAD).
The Gas and Plasma Physics Laboratory has recognized expertise in pulsed magnetron deposition (HiPIMS). The Orsay Institute of Molecular Sciences has developed a new tool (GIFAD) for the structural characterization of surfaces and thin layers during growth. A new and patented configuration of GIFAD (GIFAD-HP) is now able to operate at pressutes up to 10^-2 mbar.
We propose to combine these two innovations in order to offer a unique solution for the description and optimization of thin layers of metals and oxides.