Thèse Dynamique de Spin et Interactions Magnétiques dans les Pérovskites d'Halogénures de Plomb une Approche par Spectroscopie de Bruit de Spin H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes Laboratoire de recherche : L2C - Laboratoire Charles Coulomb Direction de la thèse : Maria VLADIMIROVA ORCID 0000000210320839 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59 Les pérovskites d'halogénures de plomb (comme MAPbI, FAPbI, CsPbBr) ont émergé comme une classe de matériaux révolutionnaires en optoélectronique, grâce à leurs propriétés exceptionnelles : forte absorption lumineuse, longue diffusion des porteurs de charge, et facilité de synthèse [1]. Ces matériaux sont déjà largement exploités dans les cellules solaires à haut rendement, les LEDs et les détecteurs de lumière. Cependant, leurs propriétés magnétiques et de spin, bien que potentiellement cruciales pour des applications en spintronique et en technologies quantiques, restent largement inexplorées.
Les pérovskites d'halogénures de plomb présentent une structure cristalline unique où les interactions entre les ions plomb (Pb²), les halogènes (I, Br, Cl) et les cations organiques (comme MA ou FA) peuvent influencer la dynamique de spin. En particulier, les effets spin-orbite, les couplages hyperfins et les interactions d'échange dans ces matériaux pourraient jouer un rôle clé dans la relaxation de spin et la cohérence des porteurs de charge [2-4]. Ces propriétés sont essentielles pour le développement de dispositifs innovants, tels que les mémoires magnétiques, les transistors à spin ou les qubits.
La spectroscopie de bruit de spin (SBS) est une technique particulièrement adaptée pour étudier ces dynamiques [5, 6]. Contrairement aux méthodes traditionnelles (comme la spectroscopie pompe-sonde de rotation Faraday (Kerr) ou les techniques magnéto-optiques comme effet Hanlé dans photoluminescence), elle permet de sonder les fluctuations de spin intrinsèques, en minimisant l'absorption et évitant ainsi de perturber le système. Cette approche est idéale pour étudier les temps de relaxation de spin (T et T), la diffusion de spin, ainsi que les interactions entre spins, afin de comprendre les mécanismes de décohérence.
Actuellement il n'existe que peu d'études de pérovskites par SBS [4]. Ce projet de thèse vise à combler cette lacune. Le doctorant va bénéficier de (i) l'expériences acquise par l'équipe d'accueil sur les semiconducteurs classiques III-V et II-VI, ainsi que leurs nanostructures, (ii) du montage expérimental performant qui implémente la détection homodyne et permettant les nombreux adaptations (iii) l'accès aux échantillons de qualité via les collaborations déjà mises en place. (iv) le support des théoriciens via collaborations externes bien établis. Les pérovskites d'halogénures de plomb, telles que MAPbI (méthylammonium plomb iodure), FAPbI (formamidinium plomb iodure) et CsPbBr (césium plomb bromure), ont connu une ascension fulgurante dans le domaine de l'optoélectronique au cours de la dernière décennie. Leur succès repose sur des propriétés remarquables :
- Absorption lumineuse exceptionnelle : Leur coefficient d'absorption est parmi les plus élevés des matériaux semiconducteurs, ce qui les rend idéaux pour les cellules solaires.
- Longue diffusion des porteurs de charge : Les porteurs de charge (électrons et trous) peuvent se déplacer sur des distances micrométriques, une propriété cruciale pour les dispositifs photovoltaïques et optoélectroniques.
- Facilité de synthèse : Contrairement aux semiconducteurs traditionnels comme le silicium ou les matériaux III-V, les pérovskites d'halogénures de plomb peuvent être synthétisées à basse température par des méthodes simples comme le dépôt en solution (spin-coating), ce qui réduit les coûts de fabrication.

Ces matériaux ont déjà permis des avancées majeures dans les cellules solaires à pérovskite, où des rendements de conversion dépassant 25% ont été atteints, rivalisant avec les technologies photovoltaïques établies. Ils sont également prometteurs pour les LEDs, les détecteurs de lumière et les lasers. Cependant, malgré ces succès, leurs propriétés magnétiques et de spin restent largement inexplorées, alors qu'elles pourraient ouvrir la voie à des applications révolutionnaires en spintronique et en technologies quantiques.
Les pérovskites d'halogénures de plomb présentent une structure cristalline unique où les interactions entre les ions plomb (Pb²), les halogènes (I, Br, Cl) et les cations organiques (MA, FA) créent un environnement riche pour la physique du spin. Plusieurs mécanismes peuvent influencer la dynamique de spin dans ces matériaux :
- Effets spin-orbite : Le plomb, un élément lourd, induit un couplage spin-orbite fort, qui peut jouer un rôle clé dans la relaxation de spin et la cohérence des porteurs de charge. Ce couplage est particulièrement intéressant pour manipuler les spins électroniques, une propriété essentielle pour les dispositifs spintroniques.
- Couplages hyperfins : Les interactions entre les spins électroniques et les noyaux atomiques (comme l'iode ou le brome) peuvent influencer les temps de relaxation de spin. Ces interactions sont significatives dans les pérovskites en raison de la présence d'atomes lourds.
- Interactions d'échange : Les interactions magnétiques entre les porteurs de charge peuvent également jouer un rôle, en particulier dans les matériaux où les spins sont localisés ou dans les structures à basse dimensionalité.

Ces propriétés sont essentielles pour le développement de dispositifs innovants, tels que :
- Les mémoires magnétiques : Où l'information est stockée sous forme de spin plutôt que de charge.
- Les transistors à spin : Où le spin des électrons est utilisé pour contrôler le courant électrique.
- Les qubits : Pour des applications en informatique quantique, où la cohérence de spin est cruciale.

La spectroscopie de bruit de spin (SBS) est une technique particulièrement adaptée pour étudier la dynamique de spin dans les pérovskites. Contrairement aux méthodes traditionnelles comme la résonance paramagnétique électronique (RPE) ou les techniques magnéto-optiques (comme l'effet Faraday ou Hanlé), la SBS présente plusieurs avantages :
- Non invasive : Elle permet de sonder les fluctuations de spin sans appliquer de champ magnétique externe, évitant ainsi de perturber le système étudié.
- Sensibilité aux temps de relaxation : La SBS est particulièrement sensible aux temps de relaxation de spin (T et T), ainsi qu'à la diffusion de spin, ce qui en fait un outil idéal pour étudier les mécanismes de décohérence.
- Adaptabilité : La technique peut être adaptée pour étudier des échantillons de différentes dimensionalités, des couches minces aux nanocristaux, en passant par les monocristaux.

Jusqu'à présent, peu d'études ont utilisé la SBS pour caractériser les pérovskites d'halogénures de plomb. Ce projet de thèse vise donc à combler cette lacune en exploitant l'expertise de l'équipe d'accueil, qui possède une solide expérience dans l'étude des semiconducteurs classiques (III-V et II-VI) par SBS, ainsi qu'un montage expérimental performant permettant la détection homodyne et diverses adaptations. De plus, le doctorant bénéficiera :
- D'un accès à des échantillons de haute qualité grâce à des collaborations déjà établies avec des groupes spécialisés dans la synthèse des pérovskites.
- D'un soutien théorique grâce à des collaborations externes bien établies, permettant de modéliser les interactions de spin et de valider les résultats expérimentaux.

Ce projet de thèse s'inscrit dans un contexte scientifique où les pérovskites d'halogénures de plomb sont de plus en plus étudiées pour leurs propriétés optoélectroniques, mais où leur potentiel en spintronique reste largement inexploré. En combinant des techniques expérimentales avancées (comme la SBS) avec une analyse théorique rigoureuse, ce travail vise à :
- Comprendre les mécanismes fondamentaux de relaxation et de cohérence de spin dans ces matériaux.
- Développer des modèles théoriques pour décrire ces dynamiques, en collaboration avec des théoriciens.
Ce projet bénéficiera également des collaborations internationales avec des groupes travaillant sur la synthèse des pérovskites, la caractérisation avancée et les applications spintroniques, offrant ainsi une formation complète et interdisciplinaire au doctorant.
1. Caractérisation des propriétés de spin dans les pérovskites d'halogénures de plomb :
o Mesurer les temps de relaxation de spin (T et T) dans des matériaux comme MAPbI, FAPbI et CsPbBr.
o Étudier l'influence de la composition chimique sur la dynamique de spin.
2. Compréhension des mécanismes de relaxation de spin :
o Quantifier les contributions relatives des interactions spin-orbite, hyperfines et d'échange aux temps de relaxation.
o Comprendre le les mécanismes de diffusion de spin.
o Analyser l'effet de la température et des défauts cristallins sur la cohérence de spin.
3. Exploration des effets de la dimensionalité :
o Comparer la dynamique de spin dans des mono et polycrystaux
o Étudier l'influence de la réduction de dimensionalité (monocouches 2D) sur les temps de relaxation.
Spectroscopie de bruit de spin
MicroPhotoluminescence
Traitement des données et modélisation en Python