Thèse Transformations Topotactiques dans les Couches Minces d'Oxydes Ingénierie à l'Échelle Atomique des Nickelates et des Phases de Carpy-Galy H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Solides
Direction de la thèse : Alexandre GLOTER ORCID 0000000248133799
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-09-01T23:59:59

Les transformations topotactiques dans les oxydes complexes de métaux de transition constituent une voie puissante pour ajuster les propriétés fonctionnelles tout en préservant le cadre cristallographique sous-jacent [1]. En modifiant sélectivement la stoechiométrie en oxygène, ces réactions peuvent induire des changements majeurs de la structure cristalline ainsi que des états fondamentaux électroniques et magnétiques, tout en conservant l'orientation cristalline épitaxiale globale de la couche mince. Cela rend ces transformations de phase particulièrement attractives pour la conception de nouvelles phases de matériaux inaccessibles par les méthodes de synthèse classiques, ainsi que pour le contrôle des propriétés grâce au caractère réversible de ces réactions.

Ce projet de thèse portera sur deux systèmes d'oxydes représentatifs présentant des transitions topotactiques distinctes pilotées par l'oxygène. Le premier est la famille des nickelates de terres rares (R), où la réduction de la phase pérovskite RNiO vers la phase à couches infinies RNiO (voir Figure 1) transforme un métal corrélé en un film supraconducteur [2,3]. Le second concerne les phases lamellaires de Carpy-Galy ABO (avec A = Sr, La et B = Ti, Nb, Ta) [4], qui sont isolantes et ferroélectriques, mais peuvent être transformées en phases pérovskites ABO métalliques et paraélectriques.

L'objectif du projet est de comprendre et d'ingénier ces transformations à l'échelle atomique dans des couches minces épitaxiales. Les éléments clés incluront le contrôle précis des conditions de croissance, où la teneur en oxygène, l'état de contrainte et l'épaisseur peuvent être finement ajustés. Une question centrale sera de comprendre comment la suppression de l'oxygène se propage à travers l'épaisseur du film, dans quelle mesure la réaction est complète, et quels défauts locaux, fautes d'empilement ou configurations intermédiaires accompagnent la transition. Ces transformations seront analysées en lien avec l'évolution des propriétés physiques des couches minces, avec un accent particulier sur l'émergence de domaines supraconducteurs dans les nickelates et sur le potentiel d'ingénierie du magnéto-transport dans les phases de Carpy-Galy.

see above

Oxide thin-film growth has made enormous progress in recent years, with ultrathin layers of a few nanometers now achievable. This has opened new perspectives, such as the stabilization of phases not existing in bulk, for instance through fully constrained thin films or the selective removal of specific elements, such as particular families of apical oxygen atoms in the structure. In line with the creation of these new materials, novel properties have emerged, including superconductivity in nickelates and intriguing phenomena such as high-mobility electron gases at interfaces between insulating ultrathin films. In this thesis, new strategies to engineer such ultrathin films will be developed. An initial objective will be to establish reproducible growth and engineered topotactic transformation conditions for oxide thin films. This includes the synthesis of high-quality epitaxial thin films by pulsed laser deposition, followed by controlled reduction: (1) global control, e.g., by sputtering reactive overlayers, and (2) local control using a biased scanning probe tip or electron/ion beams. The functionality of the thin films will be assessed through measurements of electronic transport, magnetotransport, and ferroelectric properties. For instance, a sub-micrometer control to induce superconductivity will enable the fabrication and characterization of the first devices prototypes based on nickel superconductors. To identify the resulting phases, correlate transformation pathways, and relate them to the physical properties, quantitative structural and spectroscopic characterization will be performed. This will involve global probes such as X-ray diffraction, as well as local probes such as electron spectromicroscopy. Scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy-loss spectroscopy (EELS) have indeed recently seen disruptive progress, allowing, for instance, spectroscopic measurements down to a single atomic column [5], as well as full reconstruction of complex structures by electron ptychography and 4D-STEM. In this project, these techniques will be central, providing atomic-scale insight into lattice transformations, defect formation, and oxygen ordering. This approach will yield a detailed understanding of the mechanisms governing oxygen-driven transformations in correlated oxide thin films, guiding the design of materials with controllable and reversible electronic properties.