Élaboration et intégration de VO2 en vue de la fabrication de diodes photoniques infrarouges pour la thermotronique

Description :
Doctorant: Swayam Prakash Sahoo

Directeur de recherche: Luc Fréchette
Directeur de recherche (France): Bernard Vilquin

Résumé: 

Le traitement moderne de l’information repose principalement sur la manipulation de signaux électriques ou optiques, domaines de l’électronique et de la photonique. La thermotronique, jeune discipline émergente, vise la manipulation de flux thermiques radiatifs comme vecteurs d’information. La température des différents composants serait donc directement le moyen de contrôle et de mesure sans nécessiter un recours à l’électronique.

Malgré son potentiel et une base théorique solide, la thermotronique n’est dotée à ce jour d’aucun composant non linéaire, tel que les diodes et transistors thermiques radiatifs, capable de contrôler et de moduler efficacement le flux de chaleur pour le traitement de l’information. Le dioxyde de vanadium (VO₂), un matériau à changement de phase présentant une transition métal-isolant marquée autour de 70 °C, joue un rôle central dans ces dispositifs en raison de ses propriétés optiques modulables dans l’infrarouge.

Cette thèse étudie la croissance, l’optimisation et l’intégration de couches minces de VO₂ pour des applications photoniques thermiques radiatives, càd pour la création des premiers composants thermotroniques. Dans un premier temps, des films épitaxiaux de VO₂ sur saphir sont étudiés, puis leur intégration sur silicium à l’aide d’une couche tampon HfₓZr₁₋ₓO₂ compatible avec les procédés CMOS. Enfin, le VO₂ a été intégré dans des structures de membranes MEMS suspendues pour des applications de diodes radiatives, marquant une étape importante vers des dispositifs photoniques thermiques fonctionnels.

Le travail aborde les défis liés à la qualité des films, à l’ingénierie des interfaces et à la microfabrication, essentiels à la fiabilité des dispositifs.  Les propriétés sensibles du VO₂, issues de son système d’électrons fortement corrélés, sont explorées afin de développer une compréhension fondamentale de son comportement fonctionnel. Ces connaissances établissent les bases nécessaires au contrôle délibéré des dynamiques de changement de phase dans les futurs dispositifs thermotroniques et photoniques.