Ten years of research & innovation in two-dimensional materials-based spintronics: highlights & future

 

Stephan Roche

ICN2 and BIST, Barcelona, Spain

This talk will review more than a decade of intense efforts to explore the potential of graphene and two-dimensional materials for spintronic applications. Along the way, plentiful of unique properties have emerged making topological materials an enabling platform for innovation in advanced electronics, spintronics or quantum technologies. We will overview the milestones and highlight the unprecedented properties which have been revealed to date and point out current challenges and opportunities for harnessing quantum matter to design novel quantum technologies.

 

C12 Quantum Electronics: Leading the next materials leap in quantum computing

Alice Castan

C12 Quantum Electronics

C12 Quantum Electronics is a spinoff of the Physics Laboratory of the Ecole Normale Supérieure (LPENS) in Paris, France. The company was founded in the beginning of 2020 with the ambitious goal to build a carbon nanotube (CNT)-based quantum processor. From a team of a few scientists at its earliest stage, C12 grew – after securing a $10M seed round in 2021 – into a multiteam organization with over 30 employees. The technology developed at C12 is based on over a decade of research led by CNRS research director Takis Kontos at the LPENS on the use of CNTs in hybrid quantum circuits.

An ultra-clean CNT is directly transferred onto a microchip, where it is suspended over a series of gate electrodes that allow the formation of a double quantum dot (DQD) in which a single electron can be trapped. The spin of the electron is then addressed through coupling to a superconducting microwave circuit. The unique possibility of selectively embedding the CNT or removing it from the microchip at the end of the chip fabrication process provides an opportunity to preselect the qubits integrated in our processor, which is absent from other spin qubit-based quantum computing technologies.

This seminar will give an overview of C12 as well as a presentation of the technology developed in its Paris-based laboratory. Focusing on the core material that makes this technology uniquely promising, we will show how the atomic structure, cleanliness, and isotopic purity of the CNTs acting as the spin qubit hosts influence the performance of the device and how measuring and controlling these parameters can help achieve record fidelity and scalability.

Ségrégation au sein de nanoparticules bi-métalliques à l’échelle atomique au travers d’une double approche théorique et expérimentale

Résumé

L’analyse des nanoparticules (NPs) à l’échelle nanométrique pour des applications en conditions réelles reste un challenge considérable à l’heure actuelle. Dans ce contexte, l’utilisation de NPs bi-métalliques est fortement envisagée dans le domaine de la catalyse avec pour fonction de favoriser et d’accélérer la cinétique de réactions chimiques de surface. Il est alors fondamental de décrire finement la structure ainsi que la composition chimique des surfaces qui sont en interaction directe avec le milieu environnant dans lequel les NPs sont plongées. Au cours de cette thèse, nous avons mis au point une double approche théorique et expérimentale à l’échelle atomique dans le but d’étudier deux types d’alliages en particulier : Or-Cuivre (Aux-Cu1-x) et Nickel-Aluminium (Nix-Al1-x).
Au travers d’une synthèse de NPs Aux-Cu1-x octaédriques facettées de 5 nm par voie laser et d’observations en microscopie électronique corrigée des aberrations en mode sonde, nous avons développé une méthode d’analyse de la composition chimique de chaque plan atomique. En procédant ainsi, nous avons mis en évidence un fort effet de ségrégation de l’or en surface ainsi que des profils de concentration au sein des NPs différents selon l’ordre chimique (ordonné ou désordonné). Dans le cas d’une composition Au0.5Cu0.5 ordonnée de phase L10, nous avons caractérisé une structure rarement observée jusqu’ici et correspondant à la présence des trois variants possibles de la phase L10 au sein d’une même particule. En parallèle, des simulations à l’échelle atomique ont permis des analyses plus précises en considérant des empilements de plans infinis ainsi que des NPs de différentes tailles et compositions.
L’excellente adéquation entre les simulations et les analyses expérimentales renforce la pertinence de nos résultats et démontre l’importance de cette double approche que nous avons par la suite appliquée à l’étude des propriétés de surface de NPs de type Nix-Al1-x. Dans un premier temps, nous sommes parvenus à optimiser les paramètres de synthèse pour obtenir des NPs à tailles et compositions définies. Les analyses expérimentales des surfaces couplées à des simulations atomistiques nous ont permis d’observer un phénomène jusqu’alors inédit. En effet, une ségrégation quasi complète de l’aluminium apparait jusqu’à la formation de NPs adoptant une structure coeur (Nickel) – coquille (Aluminium), pour toutes les concentrations étudiées empêchant ainsi toute formation d’alliages. Ceci est d’autant plus surprenant, qu’à l’état massif et pour une composition de 50% de nickel et 50% d’aluminium, la phase ordonnée B2, connue pour sa stabilité et sa résistance à la corrosion, apparaît. Ces différences structurales flagrantes entre l’échelle nanométrique et macroscopique montrent là encore la physique si unique qui existe dans le monde de l’infiniment petit.

Candidat :
Grégoire Breyton

Jury :

Dr. Christine Goyhenex – IPCMS – Rapporteur
Pr. Claude Henry – CINaM – Rapporteur
Dr. Pascale Bayle – CEA/Grenoble – Examinatrice
Dr. Geoffroy Prévot – INSP – Examinateur
Dr. Hakim Amara – LEM – Co-Directeur de thèse
Pr. Christian Ricolleau – MPQ – Directeur de thèse

Vendredi 15 décembre 2023 à 13h00
Amphithéâtre Pierre-Gilles de Gennes, Université Paris Cité, Paris

Impact du chargement mécanique sur la déformation et les propriétés électroniques des nanoparticules métalliques

Résumé

Les nanoparticules métalliques (NP) possèdent des propriétés uniques, distinctes des matériaux massifs, offrant ainsi des applications potentielles dans divers domaines tels que la mécanique, la catalyse ou encore l’optique. Dans ce contexte, cette thèse étudie comment les propriétés mécaniques des NP, influencées par la forme, la taille et la composition, affectent leurs propriétés électroniques. En couplant des calculs de type dynamique moléculaire et des simulations par éléments finis, nous démontrons l’effet significatif de la forme sur la réponse élastique effective. Nos résultats soulignent que la plasticité est contrôlée à la fois par la forme et la taille, avec un effet de taille universel pour les NP cristallines cubiques à faces centrées. Dans le cas de NPs d’alliages, des mécanismes de renforcement et d’adoucissement sont observés, indiquant l’influence de l’ordre local sur l’élasticité et la plasticité. Enfin, grâce à un modèle reposant sur un formalisme de type liaisons fortes et des calculs ab initio, nous révélons que la déformation plastique crée de nouveaux sites réactifs à la surface des NP.

Candidat :
Matteo Erbi’

Jury :
Pr. Riccardo Ferrando – Université de Gênes (Italie)- Rapporteur
Dr. Julien Godet – Université de Poitiers – Rapporteur
Pr. Francesco Montalenti – Université de Milan-Bicocca (Italie) – Examinateur
Dr. Christine Mottet – CINaM – Examinatrice
Dr. Fabio Pietrucci – Sorbonne Université – Examinateur
Dr. Barbaru Putz- Empa (Suisse) – Examinatrice
Dr. Riccardo Gatti – LEM – Co-Directeur de thèse
Dr. Hakim Amara – LEM – Directeur de thèse

Vendredi 24 novembre 2023 à 14h00
Salle Contensou, ONERA, 29 Avenue de la Division Leclerc,92320, Chatillôn

Impact de la nanostructure sur la conductivité thermique des nano-composite amorphe/cristallin

Paul Desmarchelier

Johns Hopkins University, Baltimore, Etats-Unis

La manipulation des propriétés thermiques de semi-conducteurs peut profiter à de nombreuses applications. En particulier, les performances du management thermique et de la génération thermoélectrique pourraient être améliorées grâce à une plus grande maitrise de la conductivité thermique des matériaux. Une telle maîtrise est possible via une nanostructuration influençant les propriétés phononiques. Dans ce cadre, ce séminaire va présenter plusieurs études de nano-structures amorphe/cristalline de silicium. Dans les matériaux amorphes, du fait du désordre, la contribution vibratoire à la conductivité thermique est différente de celle des cristaux et il est possible de distinguer la contribution propagative ou balistique de la contribution dite diffusive. Ces différentes contributions peuvent être étudiées individuellement grâce à une approche paquet d’ondes sur des modèles de dynamique moléculaire. Dans le cadre d’une première étude, cette catégorisation est appliquée pour étudier des nanocomposite composés d’inclusions cristallines dans une matrice amorphe. On y montre notamment que s’il est possible de manipuler la contribution propagative via la géométrie et l’interconnexion des inclusions, la contribution diffusive est plus difficile à maitriser. Dans un second temps, l’influence d’une couche externe amorphe sur un nanofil cristallin est étudiée en croisant une approche dynamique moléculaire et une approche milieux continus. Il apparait que l’ajout de la couche externe modifie peu le flux à l’interface amorphe cristalline, mais influence le flux de chaleur au centre du nanofil.

 

How accurately can we simulate and understand the transformation mechanisms of matter ?

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Fabio Pietrucci, Sorbonne Université, IMPMC, Paris

fabio.pietrucci@sorbonne-universite.fr

Molecular dynamics simulations can complement experiments by providing detailed, atomic- scale information about transition mechanisms between different states of materials, including nanostructures, solids, solutions, biomolecules etc. If interatomic forces are accurately described, in principle, transition states (difficult to capture in experiments due to their short lifetime) can be identified, barriers and rates can be quantitatively estimated. This kind of information can be useful to characterize the behavior of materials in real conditions of temperature and pressure, and to make sense of synthesis or degradation processes.

However, a major hurdle consists in the long characteristic timescale of many transformation processes, exceeding by far what can be simulated today (typically, from nanoseconds to microseconds). I will present some methods developed in my group, that tackle the latter challenge exploiting two strategies. The first consists in applying external forces on some flexible order parameters, specifically designed to capture and accelerate changes in the topology of the atomic network during a transformation. The second consists in directly exploring transition states and mechanisms using « transition path sampling » techniques: the resulting trajectories, projected on an order parameter, can be effectively modeled by Langevin equations, that in turn allow (based on a recently demonstrated variational principle) to optimize in a unified way the order parameter definition, the free-energy landscape and the kinetic rate. I will discuss applications to problems ranging from structural changes in core-shell nanoparticles, to crystal nucleation, to protein-protein interaction.

References

F. Pietrucci, Rev. Phys. 2, 32 (2017).
S. Pipolo, M. Salanne, G. Ferlat, S. Klotz, A.M. Saitta, F. Pietrucci, Phys. Rev. Lett. 119, 245701 (2017). L. Mouaffac, K. Palacio-Rodriguez, F. Pietrucci, J. Chem. Theory Comput. 19, 5701 (2023).

Cristallographie des bicouches homophases désorientées par rotation-translation

Fabio Pietrucci, Sorbonne Université, IMPMC, Paris

fabio.pietrucci@sorbonne-universite.fr

On se propose de discuter la symétrie résultant de la superposition de deux couches monoatomiques cristallines identiques désorientées l’une par rapport à l’autre d’une rotation-translation (α|τ).
Un réseau de coïncidence apparaît —défini par le groupe intersection des groupes de translation des réseaux des monocouches— pour un ensemble dense dénombrable de valeurs de la rotation α, qu’on discutera en toute généralité pour les quatre types de réseaux bidimensionnels, oblique, rectangle, carré et hexagonal. Ces valeurs singulières d’angle α associées aux normes σ des vecteurs unitaires du réseau de coïncidence se répartissent dans le plan (α, σ) selon des branches indexées par des suites de Farey et dont on discutera les propriétés.
Pour une rotation donnée, les symétries spatiales de ces bicouches se répartissent en un
petit nombre seulement de groupes selon la valeur de la translation τ. Ainsi les bicouches de
graphène à réseau de coïncidence ne peuvent présenter que 6 types de groupes d’espace quelles que soient la rotation a de coïncidence et la translation τ.
Dans le cas générique d’absence de réseau de coïncidence, la bicouche présente une
symétrie quasipériodique de rang 4 au plus qu’on peut décrire par une méthode de coupe à partir d’un espace de dimension 4. On montrera l’importance fondamentale du réseau-0 (0-lattice) pour décrire les symétries des figures de moiré de ces édifices.

Excitons dans le nitrure de bore hexagonal et ses homostructures en rotation : propriétés de volume, aux surfaces et aux interfaces

Résumé

Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un semi-conducteur à large bande interdite qui joue un rôle stratégique dans la famille des matériaux 2D en raison de propriétés telles qu’une luminescence UV intense ou son rôle protecteur pour les autres matériaux 2D. L’assemblage de différents matériaux 2D pour former des hétérostructures de matériaux 2D (h2D) offre des perspectives intéressantes pour l’ingénierie de leurs propriétés optiques et électroniques. Cela nécessite une compréhension des
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propriétés intrinsèques de chaque matériau 2D, mais aussi des influences réciproques des matériaux assemblés les uns sur les autres, ainsi que des effets de surface et d’interface.
Cette thèse est centrée sur les propriétés des excitons à la base de la luminescence du hBN. Il s’agit d’étudier sur des cristaux hBN, leur dynamique spatiale et temporelle en volume, leur diffusivité et l’effet recombinant de la surface pour ensuite aborder en détail les phénomènes d’émission lumineuse aux interfaces entre deux cristaux de hBN désorientés formant une homostructure hBN-hBN en rotation. Ces études ont été réalisées avec le dispositif de cathodoluminescence (CL) résolue en temps du GEMaC, qui permet un contrôle spatial et temporel de l’excitation, bien adapté à l’étude de la dynamique excitonique. Les expériences ont été menées sur des monocristaux de hBN de différentes qualités selon leur technique de synthèse et sur des homostructures hBN-hBN assemblées à partir de fragments exfoliés de cristaux massifs.
L’étude de la dynamique de déclin de l’exciton libre en volume de différents cristaux hBN a d’abord permis de mesurer sa durée de vie radiative, qui est une donnée intrinsèque au matériau, à 27 ns. Cette très faible valeur nous a permis de comprendre l’origine de la forte efficacité de luminescence du hBN, qui est un sujet débattu depuis plus de 10 ans. Il est ainsi établi que l’efficacité de luminescence est due à la compacité spatiale de l’exciton qui rend sa désexcitation radiative particulièrement efficace. Le rôle des défauts cristallins sur la durée de vie de l’exciton est identifié et discuté à partir de l’étude comparative de cristaux de différentes qualités.
Ensuite, nous avons étudié la diffusion des excitons et leurs recombinaisons aux surfaces du hBN grâce à un nouveau protocole expérimental en CL qui utilise les recombinaisons de surface comme sonde de la diffusion de l’exciton. L’application du protocole a permis de mesurer la diffusivité hors du plan (jusqu’à 0.2 cm2.s−1 pour le meilleur échantillon) et la vitesse de recombinaison de surface (≥ 105
cm.s−1). La surface de hBN se révèle être au niveau des plus recombinantes des semiconducteurs connus. Ces résultats ont été exploités pour dimensionner les homostructures hBN-hBN de façon à maximiser le transfert des excitons vers l’interface entre les deux cristaux.
Enfin, un phénomène de luminescence intense et large observé à 300 nm à l’interface des homostructures hBN-hBN désorientées a été étudié en détail. Une série d’expériences menées en excitation continue et en dynamique a permis d’établir que cette bande d’émission est alimentée de façon très efficace par le transfert et le piégeage d’excitons libres à l’interface. Son rendement quantique interne peut atteindre 100% pour des angles de désorientation proche de 30°. L’ensemble des résultats est cohérent avec l’attribution proposée pour cette bande à la recombinaison d’excitons auto-piégés à l’interface. L’étude des déclins de luminescence en fonction de la température a mis en évidence une barrière d’énergie à la formation des excitons auto-piégés de 10 meV et un potentiel de piégeage de l’interface pour les excitons de 100 meV aux angles de 11 et 15°.
Le dernier volet de la thèse traite de la fabrication de centres colorés dans le hBN par implantation ionique et irradiation électronique. L’effet de ces techniques sur la luminescence du hBN est étudié en CL et en photoluminescence afin d’évaluer l’application potentielle des centres créés pour les technologies quantiques.

Candidat:
Sébastien Roux

Jury:
Dr. Gwénolé Jacopin – Institut Néel, Grenoble- Rapporteur
Pr. Christophe Voisin – LPES, Sorbonne Université – Rapporteur
Dr. Claudio Attaccalite – CINaM, Aix-Marseille Univ. – Examinateur
Dr. Stéphane Collin – C2N, Université Paris-Saclay – Examinateur
Pr. Catherine Journet – LMI, Université Claude Bernard Lyon 1  – Examinatrice
Dr. Cédric Robert – LPCNO, Insa Toulouse – Examinateur
Pr. Julien Barjon – GEMaC – Directeur de thèse

Dr. Annick Loiseau – ONERA – Directrice de thèse
Dr. Christophe Arnold – GEMaC – Directeur de thèse

Mercredi 24 mai 2023 à 14h00
Salle Contensou, ONERA, 29 Avenue de la Division Leclerc,92320, Chatillôn

Synthèse par CVD de films de nitrure de bore aux propriétés optimisées pour dispositifs en optoélectronique

Résumé

Dans la famille des matériaux bidimensionnels (2D), le nitrure de bore a été identifié comme un matériau stratégique. Ce semi-conducteur à grand gap (>6eV), atomiquement plan, résistant chimiquement et thermiquement, peut jouer plusieurs rôles dans les hétérostructures de matériaux 2D : substrat de graphène pour préserver la mobilité exceptionnelle de ses porteurs de charge ou couche encapsulante pour protéger d’autres matériaux 2D sensibles à leur environnement ou exalter leurs propriétés. Des démonstrateurs de principe ont été réalisés avec des monocristaux de BN. Les dimensions latérales et l’homogénéité en épaisseur du BN sont limitées par la dimension initiale millimétriques des cristaux et leur mise en oeuvre par exfoliation mécanique. Cette technique est donc difficilement industrialisable. Il est nécessaire de développer des synthèses de films de BN de dimensions, structure et qualité contrôlées pour permettre une montée en échelle. Dans cette thèse en partenariat avec la PME Annealsys, nous avons choisi de développer la synthèse de films de BN sur nickel par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD). Dans un premier temps, nous avons transposé sur le bâti de l’équipementier Annealsys le procédé de synthèse de BN sur des substrats de nickel polycristallin à partir de borazine déjà maitrisé par l’équipe. Nous avons confirmé que la morphologie et la qualité du BN dépend de l’orientation cristallographique du nickel sous-jacent et que l’orientation (111) du nickel est la plus favorable pour la synthèse de film continu de BN. Nous avons donc ensuite travaillé avec des substrats monocristallins de Ni(111) /YSZ/Si(111). Nous avons porté une attention particulière à la préparation de ces substrats spécifiques et développé un traitement de stabilisation in-situ dans le bâti de dépôt, compatible avec un procédé industriel. La structure et la qualité des films de BN synthétisés, i.e. épaisseur, rugosité, séquence d’empilement, cristallinité et taille de domaines, ont été caractérisées de l’échelle atomique à l’échelle millimétrique par un panel de techniques de microscopies et spectroscopies (AFM, MEB, Raman, MET. . .). Nous avons mis en place une méthodologie de caractérisation statistique à l’échelle centimétrique, indispensable à la vérification de l’homogénéité des films de BN, prérequis pour la fabrication de dispositifs performants. Nous avons fait varier des paramètres de synthèse clés tels que la quantité de gaz précurseur ou l’épaisseur du substrat de nickel et étudié leur impact sur les films de BN. Les résultats sont discutés d’un point de vue mécanisme de croissance.

Candidate:
Laure Tailpied

Jury:
Pr. Luc Imhoff – Université de Bourogne- Rapporteur
Dr. Laëticia MARTY – Université Grenoble Alpes – Rapporteur
Dr. Berangère Toury – Université Lyon 1 – Examinatrice
Pr. Franck Vidal – Sorbonne Université – Examinateur
Dr. Jean-Manuel Decams – Annealsys – Invité
Dr. Amandine Andrieux-Ledier – ONERA – Encadrante
Dr. Annick Loiseau – ONERA – Directrice de thèse

Mercredi 25 avril 2023 à 14h00
Salle Contensou, ONERA, 29 Avenue de la Division Leclerc,92320, Chatillôn

Cristallographie des bicouches homophases désorientées par rotation-translation

Denis Gratias et Marianne Quiquandon
CNRS-UMR 8247 IRCP, Chimie-ParisTech PSL, Paris

On se propose de discuter la symétrie résultant de la superposition de deux couches monoatomiques cristallines identiques désorientées l’une par rapport à l’autre d’une rotation-translation (α|τ).
Un réseau de coïncidence apparaît —défini par le groupe intersection des groupes de translation des réseaux des monocouches— pour un ensemble dense dénombrable de valeurs de la rotation α, qu’on discutera en toute généralité pour les quatre types de réseaux bidimensionnels, oblique, rectangle, carré et hexagonal. Ces valeurs singulières d’angle α associées aux normes σ des vecteurs unitaires du réseau de coïncidence se répartissent dans le plan (α, σ) selon des branches indexées par des suites de Farey et dont on discutera les propriétés.
Pour une rotation donnée, les symétries spatiales de ces bicouches se répartissent en un
petit nombre seulement de groupes selon la valeur de la translation τ. Ainsi les bicouches de
graphène à réseau de coïncidence ne peuvent présenter que 6 types de groupes d’espace quelles que soient la rotation a de coïncidence et la translation τ.
Dans le cas générique d’absence de réseau de coïncidence, la bicouche présente une
symétrie quasipériodique de rang 4 au plus qu’on peut décrire par une méthode de coupe à partir d’un espace de dimension 4. On montrera l’importance fondamentale du réseau-0 (0-lattice) pour décrire les symétries des figures de moiré de ces édifices.

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