1) Contrôler la croissance des nanofils
La compréhension des mécanismes de croissance des nanofils (NF) sur les substrats de silicium recouvert d’une couche d’oxyde permet de proposer des solutions d’optimisation du procédé de synthèse et de rendre l’utilisation des NF plus facilement intégrable dans un processus industriel.

2) Ajuster les propriétés des nanofils pour optimiser le fonctionnement des oscillateurs
Les performances des oscillateurs, au cœur de ce projet, dépendent des propriétés des NF de dioxyde de vanadium ; l’ajustement de ces performances sera possible par dopage/implantation et par ingénierie des déformations du matériau.

3) Concevoir un mode de couplage ajustable et intégrable sur le dispositif
Une solution d’intégration monolithique du circuit de couplage, conservant son caractère pilotable en fonctionnement est proposée. Elle permettra l’implantation du couplage à proximité des oscillateurs et d’aboutir à un dispositif fonctionnel véritablement compact.

4) Contrôler en direct le couplage simultané d’une collection d’oscillateurs
À cette étape avancée du projet, nous disposerons d’un circuit neuromorphique émulant un véritable réseau de neurones. Le résultat du couplage des oscillateurs donnant accès à une fonction de sortie non-linéaire, l’adaptation en direct du circuit de couplage permettra de modifier son « poids synaptique ».

Notre projet s’appuie sur l’une des solutions les plus prometteuses explorées dans ce domaine, à savoir la réalisation de réseaux d’oscillateurs à relaxation couplés dont la logique de fonctionnement s’inspire de celle du système nerveux [5,6,7]. Avec ce type de réseau, c’est le couplage ou l’absence de couplage entre les différents oscillateurs et le comportement collectif de ceux-ci (calage en fréquence, en phase ou synchronisation) qui permettent d’implémenter l’approche neuromorphique. Ce couplage peut être conçu de type résistif et/ou capacitif suivant l’architecture du circuit choisie.

Pour proposer une alternative crédible à la technologie CMOS dont les acteurs principaux montrent actuellement leur intérêt pour ces approches neuro-inspirées (cf. la présentation récente de la seconde génération de son processeur neuromorphique « Loihi » par l’entreprise américaine INTEL [8]), ces dispositifs doivent aussi faire preuve d’une faible consommation énergétique et, pour répondre à de fortes exigences d’intégration, leur taille doit être nanométrique.

Dans ce contexte scientifique, le projet CIRANO propose de mettre à profit les propriétés oscillatoires de dispositifs nanométriques incorporant des matériaux à électrons fortement corrélés tel que le dioxyde de vanadium sous forme de NF monocristallin afin de démontrer expérimentalement la synchronisation par couplage capacitif et/ou résistif de tels oscillateurs à relaxation. Le fonctionnement de ces dispositifs s’appuie sur la transition isolant/métal (IM) que présentent ces oxydes. Cette transition se caractérise par un changement brutal de la résistance du dispositif (contraste de 10⁴ à 10⁵ dans le cas de VO₂) sur des échelles de temps très courtes (de l’ordre de quelques femtosecondes à quelques nanosecondes suivant le mode d’excitation de la transition). Les isolants de Mott tels que VO₂ sont connus pour présenter une transition induite par la température, l’injection de courant, de photons ou l’application de contrainte/déformation [9]. La figure 2 illustre l’évolution de la structure de bande de VO₂, en fonction de l’application de certains de ces stimuli.

Figure 2 : Structure de bande de VO₂ dans l’état conducteur (gauche) et isolant (droite).

De plus, une plage de résistance différentielle négative (NDR) peut être observée dans leurs caractéristiques courant-tension et est associée à des phénomènes d’oscillation des signaux de sortie pouvant être contrôlés par le champ appliqué [10].

S’appuyant sur une collaboration de longue date entre les partenaires du projet sur l’étude des propriétés électriques et optiques non linéaires du dioxyde de vanadium et de son intégration sous forme de couches minces (et plus récemment de nanofils) dans des composants pour l’électronique haute-fréquence et l’optique, nous proposons dans ce projet d’exploiter les avantages de ce matériau lorsqu’il est synthétisé sous la forme de nanofils monocristallins pour réaliser ces oscillateurs à relaxation.

Le principe de base mis en œuvre dans le projet CIRANO vient d’être validé pour le couplage d’oscillateurs mais incorporant des films minces de VO₂, notamment par une équipe de l’EPFL/IBM Europe [11,12]. Toutefois, il a été montré que, pour les composants intégrant ces films minces, la fluctuation des résistances et des tensions seuil, d’un oscillateur à l’autre, restreignait actuellement à trois au maximum le nombre d’oscillateurs possiblement couplés [13]. Les propriétés fluctuantes d’un oscillateur à l’autre sont à mettre en parallèle avec la nature « polycristalline » des films minces qu’ils intègrent. Le type de croissance observé pour les couches minces de cet oxyde, quand bien même elle présente des orientations préférentielles, voire une épitaxie avec le substrat, induit une microstructure à base de grains. Lorsque les composants, comme ces oscillateurs, atteignent des dimensions de l’ordre de la centaine de nanomètres, leurs propriétés peuvent être profondément affectées par cette microstructure.

Figure 3 : Evolution de la résistance relative du dioxyde de vanadium en fonction de la température dans le cas d’un film mince et d’un NF isolé (associée à l’image MEB correspondante)

Dans notre projet, nous proposons donc le recours aux nanofils de VO₂ pour éviter cet écueil. Leur structure, déjà bien décrite dans la littérature scientifique [14], étant monocristalline, présentant peu de défauts et leur géométrie étant parallélépipédique, les nanofils de VO₂ s’avèrent particulièrement propice à la réalisation de série d’oscillateurs semblables.

La figure 3 permet de comparer l’évolution de la résistance relative en fonction de la température d’un film déposé sur Si/SiO2, avec celle d’un NF de VO₂ isolé déposé sur le même type de substrat dans les deux cas pour une montée puis une descente de la température qui permet de révéler un comportement hystérétique. Le contraste de résistance entre les états métalliques et isolant est plus important dans le cas du NF et la transition plus abrupte.

Ces nanostructures sont obtenues par des méthodes classiques de type VLS (vapeur-liquide-solide) sur un substrat de silicium oxydé en surface en partant de poudre de V₂O₅. Les dimensions (longueur, largeur et épaisseur) ainsi que leur densité sur la surface du silicium dépendent des paramètres de synthèse. Depuis maintenant plusieurs années, le laboratoire XLIM, en collaboration avec l’IRCER, maîtrise la fabrication de ces nanofils et travaille à leur intégration dans des composants pour l’électronique haute-fréquence.

De plus, les phénomènes d’auto-oscillations dans le dioxyde de vanadium, au cœur de projet CIRANO, sont étudiés à XLIM depuis de nombreuses années dans des dispositifs à base de couches minces et pour différentes géométries d’électrodes d’activation (figure 4) de même que la synchronisation de ces oscillateurs entre eux [10].

Figure 4-a : Evolution du courant électrique en fonction de la tension sur un dispositif à base de couche mince de VO₂ (350µm x 50µm) -b : Signaux obtenus aux bornes de la résistance en série Rs avec le motif de VO₂ suivant la valeur du courant injecté (conditions A, B, C et D sur la figure 4-a)

Dans le cadre de ce projet, une étude de l’ajustement contrôlé des propriétés de commutation des nanofils par implantation ionique est proposée pour ajouter un degré de liberté supplémentaire à l’intégration de ces nano-objets dans des composants pour l’électronique. En particulier le développement d’un diffractomètre directement intégré sur l’accélérateur ionique à IJCLab, permettra, par des caractérisations in-situ, non seulement de cribler une large gamme de dopants visant à contrôler la transition isolant – métal (IM), ainsi qu’une large gamme de conditions d’implantation.

L’optimisation des réseaux de ces « nano-oscillateurs » en termes d’énergie de fonctionnement, de capacité d’intégration (taille des dispositifs et choix du type de couplage), de fiabilité et de reproductibilité des composants passe par la compréhension des mécanismes de la transition et des phénomènes d’oscillation directement couplés à la structure de ces nanofils. Les différentes étapes du projet impliquent donc étroitement l’ensemble des partenaires pour la synthèse, la modification, les caractérisations et l’exploitation des propriétés de ces nanofils.

Ces objectifs seront développés suivant quatre tâches techniques mettant à profit la complémentarité et l’interdisciplinarité des équipes du consortium (figure 5).

Figure 5 : Description des tâches techniques du projet CIRANO

TACHE n°1 (WP1) : Coordination du projet – Activités de gestion, de diffusion (Responsable WP1 : ORLIANGES J-C, Partenaires : Tous)

 Tout au long du projet CIRANO, le WP1 vise à identifier les enjeux de gestion pour une prise de décision efficace et à vérifier la bonne allocation et coordination de toutes les ressources (humaines et financières) afin d’atteindre les objectifs techniques, de diffusion et de valorisation.

ST1-1 : Gestion administrative et coordination scientifique

Assurer le lien entre les différents partenaires est primordial pour mener à bien le projet. J-C. Orlianges sera responsable de la direction du projet, mais les décisions scientifiques et stratégiques seront prises collectivement par un comité de pilotage constitué de tous les chefs d’équipe. Le comité de pilotage sera également en charge des relations avec l’ANR et supervisera le suivi du projet. Des réunions entre tous les partenaires auront lieu tous les 6 mois dans des lieux différents ou par vidéo-conférence. Chaque responsable de tâche coordonnera l’activité de celle-ci et désignera une personne en charge de chaque sous-tâche devant faire un rapport sur le niveau de réalisation et l’identification les actions à venir.

Lors des réunions, une attention particulière sera accordée à l’éventuel changement de stratégie (actions correctives, risques imprévus).

ST1-2 : Plan de gestion des données

Le projet CIRANO, tout au long de son déroulement, requiert une attention constante quant à la gestion des données. A cette fin, A. Boulle sera en charge de la mise en place du plan de gestion des données (DMP) utilisant la plateforme OPIDoR de l’ANR. Il travaillera en étroite collaboration avec chaque responsable des différentes tâches pour assurer la bonne mise en œuvre et l’application à long terme de la politique de traitement des données définie dans le DMP. Ainsi, les données seront partagées en respectant strictement les principes FAIR.

ST1-3 : Diffusion du projet

La planification des activités de diffusion sera discutée formellement lors des réunions. Le libre accès à toutes nos activités de diffusion sera garanti (posters et présentations des conférences seront téléchargés dans le dépôt HAL). En ce qui concerne les publications à comité de lectures, les prétirés seront partagés sur HAL dans le respect des politiques éditoriales. Néanmoins, les « post-prints » seront mis en libre accès sur HAL après l’embargo légal de 6 mois. Les publications en accès libre seront également considérées/favorisées.

Risques et plan d’urgence :
Aucun risque n’est prévu pour cette tâche
Livrable L1.1 : Accord de consortium (T0+12)
Livrable L1.2 : Rapport de valorisation du projet (T0+48)
Jalon J1.1 : Réunion de lancement (T0+1)

 TACHE n°2 (WP2) : Optimisation de la synthèse VLS des nanofils pour l’application – Modification locale des propriétés des nanofils par implantation (T0 à T0+36) (Responsable WP2 : GENTILS A., Partenaires : Tous)

 Cette tâche est dédiée à l’optimisation des procédés de synthèse et de dopage pour l’application visée : fabrication reproductible d’oscillateurs à base de NF de VO₂ dont les paramètres de fonctionnement (essentiellement le courant d’excitation des oscillations et la fréquence de celles-ci) sont compatibles avec les contraintes d’intégration sur un dispositif fonctionnel. Un aspect crucial pour la maîtrise des paramètres de fonctionnement des oscillateurs à base de NF est le contrôle de leur transition d’état. L’utilisation de déformations élastiques est une technique répandue pour contrôler la transition IM (ingénierie de déformations). Celle-ci consiste classiquement à modifier la nature du substrat sur lequel VO₂ est déposé. La différence de paramètres de maille couche/substrat donne ainsi lieu à différents niveaux de déformations épitaxiales [15]. Si cette approche est relativement efficace pour des matériaux en couches minces, elle l’est nettement moins dans le cas de NF qui ne présentent, en général, pas d’orientations épitaxiales vis-à-vis du substrat sous-jacent. Un autre levier répandu pour contrôler la transition IM est la modification de la stœchiométrie du matériau (voir refs 19-28 dans [15]). Cette approche, qu’il s’agisse de dopage au moyen de cations hétérovalents ou d’une modification du degré d’oxydation des ions V (en général par une modification des conditions de pression durant la synthèse), est en général particulièrement efficace sur le déplacement de la température de la transition IM. Dans ce projet, au regard de notre expérience sur le matériau VO₂, les dopants sélectionnés seront le tungstène pour diminuer la température de transition et le germanium pour son effet opposé, considérant l’efficacité déjà démontrée de ces deux éléments [17].

ST2-1 : Optimisation de la synthèse VLS des nanofils pour l’application (T0 à T0+24)

Un premier axe concerne la croissance contrôlée des nanofils sur le substrat ; en effet pour envisager la fabrication et l’utilisation de dispositifs intégrant des nanofils de VO₂ (quelle que soit leur nature) au-delà d’un composant dédié à la recherche, il est important de contrôler la taille, l’orientation et la position de croissance de ces nanofils sur le substrat pendant leur synthèse. Pour cela, et dès le démarrage du projet, nous proposons d’initier une étude de l’effet de la structuration du substrat (Si/SiO₂) sur la croissance localisée de ces nano-objets. En effet, en s’appuyant sur les précieuses informations concernant la croissance de NF de VO₂ dans les travaux de E. Strelcov et al. [17], en très bon accord avec nos propres expériences de synthèses, nous avons pu constater le rôle déterminant de la présence de la phase liquide de V₂O₅ associé à l’effet catalytique de l’oxyde de silicium en surface du silicium sur la croissance des nanofils de VO₂. Ainsi, une structuration préalable du substrat en localisant la présence de SiO₂ où l’on souhaite faire croître les NF à la surface du substrat de silicium (par lithographie optique / gravure de SiO₂) devrait nous permettre un contrôle plus minutieux de nos synthèses.

En parallèle, les différentes solutions de transfert des nanofils (d’un substrat sur un autre) seront évaluées (utilisation de résines pour le collage/décollage, « Scotch tape method » en vogue lors des premières expérimentations sur le graphène, transfert par LIFT – « Laser-Induced Forward Transfer » dans le cas de synthèses sur silice…)

Ainsi après le travail préliminaire sur les NF intrinsèques, le travail, durant cette sous-tâche, se portera sur la synthèse de NF dopés par ces deux éléments (W et Ge).

ST2.2 : Modification des propriétés des nanofils par implantation/irradiation (T0+9 à T0+36)

Le deuxième axe concerne la modification des propriétés physiques des nanofils par dopage (avec des ions tungstène) par implantation ionique et par déformation induite par irradiation. En ce qui concerne le dopage directement durant la synthèse, cette technique déjà utilisée est efficace mais difficilement reproductible et conduit, pour une même expérience de synthèse, à la formation de nanofils de composition et de propriété assez hétérogènes. C’est pourquoi, un travail original est proposé pour l’étude de la modification des propriétés électriques de nanofils par implantation par faisceau d’ion. L’optimisation du dopage/implantation portera sur la valeur du courant nécessaire pour induire les oscillations dans le dispositif incorporant le NF de VO₂ ainsi que leur fréquence. Il est à noter que les faisceaux d’ions seront également utilisés pour la caractérisation des dispositifs implantés et notamment, la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford (RBS) sera mise en œuvre pour quantifier concentration de dopants injectés. Le W étant beaucoup plus lourd que V et O, le signal de rétrodiffusion correspondant sera parfaitement exploitable et permettra d’avoir une très bonne résolution sur la composition, inférieure à 0,1%.

Un autre levier possible, utilisant également les faisceaux d’ions est l’ingénierie des déformations. Dans le cadre du projet CIRANO, nous proposons d’utiliser des faisceaux d’ions pour contrôler la déformation, et donc la température de la transition au sein des NF de VO₂. À l’heure actuelle, les travaux utilisant l’irradiation à des fins d’ingénierie des déformations dans ce type de matériaux à transitions de phase restent peu nombreux et limités aux films minces [18-24]. De plus, les performances des matériaux post-irradiation sont très dépendantes des qualités initiales des films, en particulier la présence de joints de grains limitant fortement l’effet de l’irradiation. Les NF de VO₂ présentant une structure monocristalline quasi-parfaite, nous nous attendons donc à une réponse optimale de ceux-ci sous irradiation, notamment en termes d’ajustabilité de la transition.

En effet, les travaux issus d’une collaboration de longue date entre les laboratoires IJCLab et IRCER sur l’irradiation de monocristaux oxydes (et carbures) montrent qu’il est possible de contrôler très finement le niveau de déformation dans ce type de matériaux par un ajustement non seulement de la fluence ionique (nombre d’ions par unité de surface vu par le matériau cible), mais aussi de la nature et de l’énergie des projectiles25-31. La combinaison pertinente de ces paramètres permet d’atteindre des niveaux de déformation précis sur des épaisseurs choisies. Ceci est illustré sur la figure 6 qui correspond à des cristaux de ZrO₂ irradiés avec des ions Cs de 300keV pour des fluences comprises entre 3.75×10¹³ et 7.5×10¹⁴cm-2. La figure 6-a montre l’évolution de diagrammes de diffractions des rayons X (DRX) dont la simulation numérique (ligne rouge) permet de déterminer les profils de déformations induites sous la surface des cristaux (figure 6-b). Nous proposons d’utiliser cette approche pour contrôler le niveau de déformation dans des NF de VO₂ tout en limitant au maximum les pertes de résistivités.

Figure 6 : (a) Evolution des diagrammes de DRX de monocristaux de ZrO₂ irradiés à des fluences croissantes (• : données ; ⎯ : simulations numériques). (b) Evolution des profils de déformations élastiques issus des simulations

 La dilatation observée dans les oxydes soumis à bombardement ionique trouve son origine dans la formation de défauts ponctuels (paires de Frenkel). La principale difficulté dans cette étude consistera à définir les conditions d’irradiation (nature et énergie des ions) permettant de maximiser le contrôle de la transition IM tout en minimisant le désordre structural afin d’éviter toute altération du rapport de résistivité entre l’état isolant et métallique. Des calculs ab-initio récents montrent que les défauts majoritaires dans VO₂ affectent essentiellement le sous-réseau cationique et permettent de maintenir un état isolant à température ambiante32, ce qui permet d’être raisonnablement optimiste quant à la faisabilité de cette étape. Afin de n’introduire essentiellement que des défauts ponctuels, des irradiations avec des projectiles légers (H notamment) seront réalisées ; l’énergie de ces projectiles sera telle que ces derniers s’arrêteront dans le substrat et non dans les fils, et par conséquent, il n’y aura pas d’effet d’impuretés incorporées.

Risque et plan d’urgence :

L’élaboration de NF de VO₂ étant déjà bien maîtrisée à XLIM, le principal risque réside dans l’optimisation des conditions d’irradiation. En effet, les campagnes d’irradiation étant programmées par trimestre, un criblage systématique des conditions d’irradiation (en termes de nature de projectile, énergie, fluence, etc.) peut s’avérer coûteux en temps. L’atténuation de ce risque sera conduite de deux manières : (i) prévoir dès le début du projet l’ensemble des campagnes d’irradiation en nous appuyant sur des calculs Monte-Carlo simulant l’irradiation (simulations SRIM33), (ii) la mise en place de moyens de caractérisation in situ pendant l’irradiation (voir WP3)

Livrable L2 : Rapport détaillé sur l’optimisation de la synthèse des NF (T0+36)
Jalon J2.1 : Preuve de concept pour l’obtention de fils orientés sur substrats structurés (T0+12)
Jalon J2.2 : Preuve de concept pour le transfert de nanofils (T0+24)
Jalon J2.3 : Contrôle de la transition par dopage/implantation (T0+27)

 TACHE n°3 (WP3) : Caractérisations des propriétés des nanofils – Étude de l’effet du dopage et des défauts d’irradiation sur les propriétés de commutation (T0+3 à T0+48) Responsable WP3 : BOULLE A., Partenaires : IRCER, IJCLAB

Comme rappelé sur la figure 2, les propriétés électroniques de VO₂ sont très étroitement liées à sa structure cristalline et notamment à la présence de défauts ou de déformations. Les caractérisations structurales, en particulier par DRX, jouent donc un rôle essentiel dans le processus d’optimisation des conditions d’élaboration et d’irradiation des NF. Pour cela, nous nous appuierons sur l’expertise de l’IRCER dans le domaine de la caractérisation par DRX des matériaux irradiés. Cette expertise a été développée au cours de la décennie écoulée à la faveur d’une collaboration avec IJCLab et recouvre non seulement des aspects expérimentaux, mais également des développements en termes de simulations numériques et de développement de logiciels [34-39].

ST3.1 : Caractérisations ex-situ (T0+3 à T0+21)

S’ils ne présentent pas d’orientation épitaxiale à proprement parler, les NF de VO₂ présentent cependant une orientation unique telle que les plans (110) de VO₂ dans la structure rutile (c’est-à-dire les plans (011) de la phase monoclinique) sont parallèles à la surface du substrat. Dans le plan de la surface l’orientation est aléatoire, mais tous les fils ont une anisotropie dirigée dans la direction [001] de la phase rutile. Ces caractéristiques permettent d’utiliser la DRX haute résolution (par opposition à la diffraction sur poudres) en vue, non seulement de déterminer avec précision l’état de déformation des NF, mais également leurs caractéristiques morphologiques (épaisseur et fluctuations d’épaisseur) et nanostructurales (notamment en termes de microdéformations qui indiquent la présence de défauts structuraux). L’optimisation des conditions de croissance visera à élaborer des fils les plus monodisperses possibles et exempts de défauts structuraux. Ces caractérisations (DRX haute résolution associée à la spectroscopie Raman) seront également menées sous sollicitations thermiques et/ou électriques sur les instruments disponibles à l’IRCER afin de caractériser structuralement la transition IM.

ST3.2 : Caractérisations in-situ (T0+3 à T0+30)

Les irradiations à IJCLab fonctionnent en mode campagne, avec des expériences programmées tous les trimestres. De ce fait, s’il est parfaitement possible d’envisager une optimisation des conditions d’irradiations sur la base de caractérisations structurales (DRX notamment) conduites ex-situ, il est évident que des mesures in situ permettraient un criblage beaucoup plus dense des conditions d’irradiation. Le projet CIRANO contribuera à l’acquisition, à l’installation et au développement d’un diffractomètre intégré à l’accélérateur ionique, permettant des caractérisations in-situ. Le diffractomètre sera installé au cours de la première année du projet (la solution technique trouvée avec Bruker est déjà prête et consignée dans un cahier des charges) et son utilisation effective sera donc possible dès la deuxième année du projet (le temps de réaliser la chambre à vide dédiée et le couplage accélérateur/diffractomètre, ce qui inclut le dossier ASN). Cet appareil (unique au monde dans la gamme d’énergie de l’accélérateur) sera bénéfique à la collaboration entre IJCLab et IRCER et permettra d’en augmenter la synergie.

ST3.3 : Caractérisations locales (T0+12 à T0+48)

Les mesures conduites dans les sous-tâches 3.1 et 3.2 permettent d’analyser un ensemble de NF et d’en caractériser les propriétés moyennes. Si ces caractérisations sont parfaitement adaptées à l’optimisation des conditions de synthèse et d’irradiation, elles ne permettent cependant pas l’investigation de NF individuels. Cet aspect est particulièrement critique pour les tâches 3 et 4 ci-dessous, où des oscillateurs isolés (i.e. basés sur un NF) ou un ensemble (4 à 10 NF) d’oscillateurs seront développés. Les caractérisations structurales in-operandi seront réalisées par micro-diffraction Laue sur la ligne BM32 de l’ESRF, sur laquelle nous avons déjà une expérience sur ces matériaux (comme illustré sur la figure 7). Le faisceau de rayons X de cette ligne présente des dimensions inférieures à 500 × 500 nm², ce qui la rend parfaitement adaptée à ces matériaux.

Figure 7 : Diagramme de micro diffraction Laue d’un NF de VO₂ sur un substrat de Si/SiO₂ obtenu à la ligne de faisceau BM32-IF de l’ESRF (b) Taches de diffraction provenant du VO₂ et du substrat (c) Schéma du montage expérimental de micro diffraction pour un faisceau d’électrons d’énergies entre 5 et 22keV et focalisés sur des dimensions ≈ 500 nm

Risques et plan d’urgence :

Les risques concernent essentiellement les sous-tâches 3.2 et 3.3.

Dans la sous-tâche 3.2 le risque principal réside dans des retards de mise en service du diffractomètre. Même si cette opération est planifiée depuis plusieurs mois par IJCLab, des problèmes d’installations pourraient ralentir la mise en service effective. De plus, l’installation étant programmée dès le démarrage du projet, un retard de quelques mois, voire d’une année, ne compromettrait pas la réalisation des mesures. Enfin, si un tel événement devait se produire nous nous rabattrions sur des mesures ex-situ réalisées à l’IRCER, le temps de la résolution du problème. Même si, in fine, cela réduirait le nombre de configurations expérimentales potentiellement étudiées, notre expérience en matière d’irradiation et de caractérisation de matériaux irradiés nous permettra de mener à bien ces mesures.

Le second risque concerne les mesures au synchrotron. Celles-ci sont en effet accordées via une procédure sélective (semestrielle) d’appel à projets. Même si nous disposons d’une expérience importante aux grands instruments, il n’est pas possible de garantir à l’avance l’acceptation des projets déposés. Afin d’atténuer cet effet, les demandes de temps de faisceau seront déposées dès la première année du projet. Sur la totalité du projet, 8 demandes peuvent ainsi être déposées ce qui augmente considérablement les chances de succès. Par ailleurs, ces chances s’accroissent naturellement par le label ANR d’un projet.

Livrable L3 : Rapport sur les conditions d’irradiation/implantation optimales par caract. in-situ des NF (T0+48)
Jalon J3.1 : Mise en service du diffractomètre sur l’accélérateur de l’IJCLab (T0+18)  
Jalon J3.2 : Démonstration de la qualité cristalline et de leur homogénéité morphologique par DRX (T0+21)
Jalon J3.3 : Quantification des paramètres structuraux de la transition IM par DRX et Raman in-situ (T0+30)
Jalon J3.4 : Caractérisations locales d’oscillateurs en NF de VO₂ in operandi (ESRF) (T0+39)

TACHE n°4 (WP4) : Fabrication d’oscillateurs isolés intégrant des nanofils purs et dopés – Caractérisations physico-chimiques in operandi des composants (T0+6 ® T0+42) Responsable WP4 : CRUNTEANU A., Partenaires : XLIM, IRCER

 Cette étape centrale du projet CIRANO concerne la micro-fabrication en salle blanche des oscillateurs construits à partir des NF intrinsèques et/ou après modification de leurs propriétés par dopage/implantation. Les paramètres de fonctionnement de ces oscillateurs étant au cœur de l’optimisation du dispositif visé par le projet, cette tache débutera rapidement dès le lancement du projet et se déroulera en parallèle avec les taches WP2 et WP3.

ST4.1 : Conception et fabrication d’oscillateurs à base de NF de VO₂ (T0+6 à T0+42)

Après les étapes du projet consacrées à la synthèse et à la modification des propriétés des NF par dopage/implantation, cette sous-tâche concerne leur intégration dans des dispositifs permettant l’excitation des oscillations aux bornes du VO₂. Dans un premier temps le travail portera sur l’intégration des NF intrinsèques puis, au fur et à mesures de la maîtrise des procédés de dopage et d’implantation, des oscillateurs à base de NF aux propriétés modifiées seront réalisés.

Deux configurations sont possibles :

La plus simple et la plus couramment rencontrée dans la littérature est une configuration planaire : le NF est connecté latéralement entre deux électrodes métalliques (généralement des lignes d’actionnement en or ou platine). Dans cette disposition, la distance entre les électrodes est le paramètre déterminant du dispositif, les autres paramètres étant à optimiser pour limiter les pertes du composant (épaisseur et largeur des pistes conductrices…)

La seconde configuration est une configuration transverse (hors plan ou métal-isolant-métal- MIM) dans laquelle l’actionnement du matériau se fait dans l’épaisseur de celui-ci. Pour réaliser ce type de dispositif, il est nécessaire de pouvoir réaliser une électrode inférieure sous le NF, soit préalablement à la synthèse soit par déplacement du NF sur une électrode déjà déposée.

Pour créer et structurer ces électrodes de commande, des méthodes classiques de micro-fabrication alternant étapes de dépôt de couches minces et lithographies optiques sur résines photosensibles seront mises en œuvre avec les moyens à disposition dans la plateforme technique PLATINOM du laboratoire XLIM. En particulier, le recours à la lithographie par écriture laser disponible localement offre la possibilité de concevoir directement des circuits « sur mesure » à la surface d’un NF, avec des résolutions autour de 1 µm.

Les paramètres optimaux des designs des circuits définissant nos oscillateurs seront obtenus par modélisation de ceux-ci à l’aide du logiciel ADS (largeurs et épaisseurs des différentes électrodes et lignes de transmission, adaptation en impédance de celles-ci…) et en fonction des résultats obtenus lors de leur caractérisation.

 ST 4.2 : Performances des oscillateurs en fonction des paramètres et des propriétés des NF. Études de fiabilité des composants et reproductibilité du comportement (T0+12 à T0+30)

À cette sous-tâche du projet, sont associées toutes les caractérisations basiques des oscillateurs précédemment fabriqués et la détermination des paramètres de fonctionnement (courant/tension nécessaires pour induire les oscillations) et des fréquences d’oscillation qu’il est possible d’atteindre. Ces caractérisations seront réalisées avec le matériel disponible dans la plateforme instrumentation PLATINOM d’XLIM (système de mesure sous pointes DC et RF dans un environnement contrôlé en température (-140°C à 300°C), unités de source et de mesure en mode tension ou en mode injection de courant, oscillateurs numériques, analyseurs de réseau hyperfréquence, positionneurs pour sondes électriques à résolution nanométrique…).

Les dispositifs fabriqués seront systématiquement caractérisés en enregistrant leurs caractéristiques courant-tension (I-V) en mode tension ou en mode courant. Ces caractéristiques sont directement liées i) aux propriétés du matériau (type et ampleur du dopage), i) aux dimensions des dispositifs (déterminées par la distance entre les électrodes de commande) et ii) à l’environnement de mesure (résistances en série et capacités parasites). Elles détermineront directement la plage de variation des fréquences des oscillations initiées suite à l’application d’un signal continu (tension ou courant) initiant le phénomène d’oscillations dans le dispositif.

Les performances électriques des oscillateurs réalisés (caractéristiques I-V, fréquences d’oscillations pour une valeur spécifique de stimulus électrique) seront modélisées en utilisant des modèles électriques analytiques ou de circuits simples qui ont déjà été évalués par le passé sur des oscillateurs intégrant des couches minces de VO₂ [10]. Ceci permettra l’établissement d’un modèle prédictif du comportement d’un oscillateur à NF-VO₂ en fonction de sa nature, son type d’intégration ou excitation, en facilitera la classification et in-fine, la sélection des dispositifs les plus adaptés pour le fonctionnement envisagé.

Un aspect extrêmement important que nous souhaitons étudier en détail est l’étude de la fiabilité de fonctionnement des composants réalisés. Cet aspect est fondamental dans la logique d’intégration de ces composants individuels dans une collection de ces oscillateurs dont les caractéristiques doivent être constantes et prédictibles dans le temps. Cette étude permettra d’extrapoler (en utilisant des lois de vieillissement couramment utilisés dans les études de fiabilité des dispositifs semi-conducteurs) la durée de vie et l’évolution des caractéristiques électriques des dispositifs intégrant i) un type spécifique de NF de VO₂ (dopé ou non), ii) dans une implémentation donnée (planaire ou transverse), iii) pour une excitation spécifique (tension/courant, amplitude) et iv) pour différentes températures de fonctionnement.

L’aboutissement de cette sous-tâche permettra la réalisation des dispositifs NF avec des performances électriques prédictibles, permettant leur intégration et un fonctionnement reproductible dans un réseau d’oscillateurs.

ST4.3 : Évaluation des oscillateurs individuels pour des fonctions neuromorphiques simples (T0+15 à T0+42)

Comme déjà évoqué, les dispositifs à VO₂ peuvent réaliser des fonctions analogues à des neurones actifs ou à des synapses de type memristor passif. L’ensemble de ces deux comportements fonctionne comme un système évolutif et biomimétique, formant la base autosuffisante d’un réseau neuronal sans transistor. Dans ce contexte, il a été récemment démontré que les neurones à l’échelle nanométrique intégrant des films de dioxyde de vanadium peuvent reproduire plusieurs classes d’excitabilité des neurones biologiques et une grande partie des dynamiques neuronales biologiques recensées40.

Dans cette sous-tâche, nous allons évaluer la capacité des dispositifs à NF de VO₂ fabriqués à réaliser des fonctions neuro-inspirées pertinentes pour les logiques bio-inspirées. Nous allons nous concentrer sur plusieurs comportements connus des neurones biologiques, à savoir : i) l’intégration-et-tir de signaux impulsionnels (« integrate and fire ») (Figure 8.a), ii) la latence des impulsions (Figure 8.b), iii) la période réfractaire (Figure 8.c) et iv) l’initiation des oscillations à un signal seuil (Figure 8.d).

 Figure 8 : Sélection de plusieurs comportements typiques des neurones biologiques permettant l’évaluation des dispositifs de VO₂ réalisés : a) l’intégration-et-tir des signaux impulsionnels, b) la latence impulsionnelle, c) la période réfractaire et iv) l’initiation des oscillations à un signal seuil spécifique (d’après 40).

 Ces fonctionnalités neuromorphiques des dispositifs à NF de VO₂ seront également évaluées comparativement avec celles des dispositifs similaires intégrant des films des VO₂. Pour ceci, des oscillateurs équivalents (type d’intégration, dimensions) intégrant des films de VO₂ (fabriqués couramment par pulvérisation magnétron à XLIM) seront réalisés. Nous attendons des différences notables dans le comportement électrique de ces deux types de dispositifs intégrant d’une part des monocristaux (NF de VO₂) et d’autre part, des films, certes mono-orientés mais avec une morphologie granulaire et des propriétés électriques de la transition isolant-métal dissimilaires (température de transition IM, largeur de hystérésis etc.).

Risques et plan d’urgence :
Les techniques de micro-fabrication de composants sur NF de VO2 étant déjà maîtrisées à XLIM, les risques concernant la sous-tâche 4.1 portent essentiellement sur la réalisation de la configuration transverse (MIM). Celle-ci est en effet conditionnée à la possibilité de transférer les nanofils d’un substrat à un autre (sous-tâche ST2-1) ou d’être capable de faire croître un NF sur une électrode déjà structurée sur un substrat. Ces techniques de croissance et transfert étant déjà utilisées à XLIM pour d’autres types de matériaux et dispositifs, les risques associés sont donc limités.
Les risques additionnels sont à lier à la fiabilité des dispositifs réalisés, notamment à la dérive de leurs propriétés électriques dans le temps (caractéristiques I-V, tensions/ courants seuils, fréquence d’oscillation etc.) lors de la réalisation des cycles ou actionnement répétitives. Ces phénomènes peuvent apparaître lors de l’interaction du matériau avec l’atmosphère ambiante qui, dans des conditions spécifiques (température, humidité, chauffage local du dispositif) peut modifier la surface exposée du VO₂. Ces phénomènes peuvent être contournés dans une grande mesure en « encapsulant » la partie exposée du dispositif par des couches de protection de type oxydes n’affectant pas les performances des composants (A₂O₃, SiO₂, ZnS:SiO₂).

Livrable L4 : Rapport détaillé sur la fabrication des oscillateurs à NF-VO₂, leurs caractéristiques électriques et leurs performances à réaliser des fonctions neuromorphiques spécifiques (T0+42)

Jalon J4.1 : Comparaison et évaluation des performances globales des dispositifs à NF et à films de VO₂ (T0+30)

Jalon J4.2 : Démonstration des fonctionnalités neuromorphiques en utilisant des oscillateurs à NF de VO₂ (T0+42)

TACHE n°5 (WP5) : Qualification du mode de couplage entre oscillateurs – Développement et caractérisation de réseaux d’oscillateurs (T0+21 à T0+48) Responsable WP5 : ORLIANGES J-C., Partenaires : XLIM

 Les objectifs successifs de cette étape ultime de notre projet sont :
L’identification du mode de couplage le plus efficace pour réaliser des fonctions neuromorphiques
L’intégration de ce circuit de couplage directement sur le dispositif en utilisant les solutions maîtrisées en salle blanche d’XLIM pour réaliser des capacités et/ou des résistances ajustables en direct.
La fabrication / caractérisation des réseaux d’oscillateurs et l’identification des limites technologiques de notre solution en matière de nombre d’oscillateurs possiblement couplés et donc de puissance du dispositif neuromorphique associé.
 Une des étapes de la stratégie envisagée pour cette étape est de réaliser une étude comparative des performances du couplage d’oscillateurs à base de VO₂ sous forme de nanofils avec leurs homologues utilisant des couches minces dans des configurations similaires.

L’expertise à XLIM en termes d’utilisation des films minces de VO₂ dans des dispositifs hautes fréquences permet d’appréhender assez simplement la micro-fabrication parallèle utilisant ces deux voies de synthèse de l’oxyde. De plus, comme déjà mentionné dans le projet, l’aspect synchronisation de faibles collections d’oscillateurs à base de couche mince de VO₂ a déjà été étudié par l’équipe impliquée dans ce projet (Figure 9).

 Figure 9 : Exemple de couplage/synchronisation de deux oscillateurs à base de couche mince de VO₂ réalisé à XLIM. Sur la gauche (a,d) du schéma du circuit de couplage (b) sont présentées les caractéristiques avant couplage et sur la droite (c,e), après couplage capacitif (C=300pF).

ST5.1 : Identification du mode de couplage pertinent (T0+21 à T0+27)

Les modes de couplage entre oscillateurs peuvent être de deux types : capacitif ou résistif ; quant au couplage, il peut être effectué sur la fréquence ou sur la phase des différents signaux d’oscillations suivant le choix réalisé pour coder l’information. Ainsi, si le choix du mode de couplage se porte sur la fréquence des oscillateurs, les informations seront traduites en fréquences d’oscillation par adaptation du courant d’excitation utilisé et l’ajustement des propriétés du circuit de couplage permettra de contrôler le couplage ou l’absence de couplage entre ces différents oscillateurs (schéma de la figure n°1 dans le cas de deux oscillateurs couplés).

Ce travail sur les mécanismes de couplage et l’étude des contraintes de chaque solution se fera dès que les premiers oscillateurs sur NF seront fabriqués de manière reproductible et efficacement caractérisés (ST4-2). Par souci de simplicité et d’efficacité pour cette tâche prospective, le couplage sera réalisé avec un circuit extérieur ajustable permettant l’étude des différentes configurations sur le même jeu d’oscillateurs.

ST5.2 : Intégration sur « puce » du dispositif de couplage (T0+27 à T0+45)

Cette étape est importante pour l’objectif principal visé de réaliser une « puce » neuromorphique. Il est à noter que les solutions d’intégration monolithique développées ici seront transposables à tout type d’oscillateurs que l’on souhaite intégrer dans un dispositif de même nature. 
Suivant le couplage capacitif ou résistif (voire hybride) retenu durant ST5-1, une solution ajustable en direct est proposée dans la suite utilisant une solution déjà bien maîtrisée à XLIM dans l’équipe MINT : les matériaux à changement de phase (PCM) [41]. Pour ces matériaux, que l’on dépose en couche minces en salle blanche par pulvérisation magnétron, il est possible de piloter l’état conducteur ou isolant de façon non volatile, grâce à des impulsions électriques (passage d’un état cristallin à un état amorphe et inversement). Ainsi le recours aux PCM en couche mince permet de façon simple de fabriquer un interrupteur commutable électriquement (ou optiquement) intégrable sur silicium comme illustré sur la figure 10.

Pour le couplage capacitif : un ensemble de condensateurs fixes de type MIM (l’isolant étant un diélectrique à forte permittivité, l’oxyde de tantale [42]) associés en parallèle dont les interconnexions seront commutables par PCM sera fabriqué sur le dispositif.

Pour le couplage résistif : la solution est similaire utilisant un réseau de résistances localisées de nitrure de tantale (TaN) dont les connexions séries sont également pilotées par PCM.

Toutes les solutions utilisant des films minces d’oxydes et de nitrures proposées dans cette étape du projet sont déjà utilisées en routine en salle blanche d’XLIM et intégrées dans des composants pour l’électronique haute fréquence.

Figure 10 : Principe de la capacité ajustable par PCM (banc de capacités n-bit) ; la capacité Cp dans le circuit étant la capacité minimale nécessaire au couplage, les Cn permettant son ajustement de manière incrémentale.

ST5.3 : Démonstration du couplage d’une collection d’oscillateurs à base de NF de VO₂ (T0+27 à T0+48)

A cette étape ultime du projet, nous disposerons d’un véritable réseau de neurones artificiels ; l’émulation classique d’un neurone nécessitant deux caractéristiques :
Une fonction de sortie fortement non linéaire dans notre cas résultat du couplage ou non des oscillateurs entre eux
Un poids synaptique qui s’ajuste au cours de l’apprentissage, dans notre cas il s’agira de la possibilité de piloter en direct le circuit de couplage.

Ainsi, durant cette étape, nous démontrerons la possibilité de contrôler la synchronisation d’une collection croissante de ces oscillateurs qui auront été optimisés tout au long du projet.

Les premiers travaux porteront sur la synchronisation d’oscillateurs par adaptation d’un circuit de couplage externe. Enfin, lorsqu’une alternative monolithique du couplage sera disponible, la « puce neuromorphique » sera testé et comparée avec ses homologues intégrant des films minces de VO₂.

Risques et plan d’urgence :
Pour l’étape ST5-1, une difficulté à prendre en considération est l’influence de la configuration/disposition des oscillateurs entre eux avec le circuit de couplage (capacité, inductance des lignes de transmission…). Il faudra donc une optimisation conjointe du couplage et de la géométrie du circuit complet.
De même, ce travail sera réalisé pour les deux configurations d’oscillateur envisagées (planaire ou transverse).
Il nous sera aussi possible de simplifier les travaux de la sous-tâche ST5.2, à savoir la fabrication de condensateurs et de résistances, en ayant recours à des composants électroniques commerciaux montés en surface (toujours actionnés par des PCM).

Livrable L5 : Dispositif neuromorphique fonctionnel (T0+48)
Jalon J5.1 : Choix du mode de couplage pertinent (T0+27)
Jalon J5.2 : Intégration monolithique du circuit de couplage (T0+45)
Risques spécifiques liés à la situation sanitaire :
Si durant le déroulement du projet nous devions subir des restrictions de déplacement, nous pourrons mettre à profit la maîtrise des nombreux outils de travail à distance que nous avons été amenés à utiliser intensément lors des précédents épisodes épidémiques pour pallier les problèmes d’interaction entre les participants. Quant à la circulation des échantillons au cours du projet, ceux-ci pourront être envoyés par courrier entre les différents laboratoires du consortium. De même, l’ESRF a mis en place une procédure d’expérience à distance (remote experiments) en cas de nécessité.

Une des caractéristiques de notre société est la croissance exponentielle de la quantité de données générées au quotidien. La volonté de contrôle et de maîtrise de ces données par l’informatique moderne s’est traduite par une forte croissance de la consommation d’énergie dédiée à ces tâches. Comme précisé dans le début de notre proposition, l’informatique d’architecture fondamentalement séquentielle s’avère peu efficace pour ces traitements de données massives se heurtant au « goulot d’étranglement de Von Neumann » lié à la séparation spatiale de la mémoire et de l’unité de calcul. Ainsi, les solutions alternatives d’architecture parallèle comme celle que propose CIRANO, ont prouvé à la fois leur efficacité et leur plus grande sobriété énergétique.

 En complément de cet impact de nature technologique lié à la conception d’une nouvelle classe de dispositifs neuromorphiques accordables, énergétiquement efficaces, l’impact de la recherche proposée sera aussi de nature fondamentale en apportant des connaissances supplémentaires sur les mécanismes des phénomènes non linéaires dans les oxydes à transition de phase, par les méthodologies originales proposées (utilisant l’intégration des monocristaux avec des propriétés ajustées par implantation et dopage).

 Notre approche est complémentaire aux recherches menées dans le cadre du Human Brain Project, projet phare de la Commission Européenne, qui exploite la technologie du silicium existante pour « …des dispositifs et des systèmes, modelés sur le cerveau, [qui] surmonteront les limites fondamentales de l’efficacité énergétique, de la fiabilité et de la programmabilité des technologies actuelles, ouvrant la voie à des systèmes dotés d’une intelligence semblable à celle du cerveau. »

 Dans un document de travail publié par le conseil européen de l’innovation (CEI) daté de février 202243, les experts mandatés par cette institution y présentent leur point de vue sur les technologies émergentes et les innovations de rupture. Pour ce qui concerne le « Digital », les alternatives permettant le dépassement de l’informatique moderne et de son architecture conventionnelle, à l’image de celle proposée par CIRANO, apparaissent en tête des innovations de rupture envisagées et sont clairement mise en avant en parallèle avec des approches de type « spintronique », « informatique quantique » ….

 Les ambitions industrielles portées par CIRANO, autour de l’utilisation du VO₂ comme alternative aux technologies Silicium s’inscrivent dans la volonté à l’échelle européenne de redynamiser l’industrie des semiconducteurs sur son territoire. Cet oxyde est abondant sur terre (le vanadium est le 5ème métal de transition le plus abondant dans l’environnement), sa toxicité sous forme condensée sur un substrat est réduite et les technologies mises en œuvre dans ce projet (VLS, pulvérisation cathodique…) sont adaptées à une intégration grande échelle de type industriel.

Les applications qui peuvent bénéficier de ces technologies bio-inspirées se retrouvent dans les domaines des télécommunications, traitements de données ou encore du biomédical…

Aussi, dans le cadre de ce projet, il est envisagé des dépôts de brevets conditionnés la réussite (indépendante) des sous-tâches ST2-1 et ST5-2 correspondant respectivement à la maîtrise de la croissance des nanofils de VO₂ par structuration du substrat et à la conception monolithique d’un circuit de couplage ajustable en direct. Il n’a pas été demandé dans le projet de financement relatif à cette opération, le consortium considérant que, le cas échéant, le coût de brevetabilité serait pris en charge par les tutelles.

 La thématique « Neuromorphique à base d’oscillateurs couplés intégrant VO₂ » qui fait l’objet de cette demande de financement auprès de l’ANR et qui s’appuie sur des compétences locales solides autour des « matériaux à électrons fortement corrélés » et des moyens de contrôler leurs propriétés est un sujet original et stratégique pour les laboratoires associés à ce projet et une approche pionnière au niveau national.

 Enfin, la principale sollicitation financière du projet CIRANO, qui porte sur l’achat d’un diffractomètre RX in situ sur une ligne d’un accélérateur de l’IJCLab, sera ouvert à la communauté scientifique nationale et internationale, via la fédération EMIR&A, réseau national d’accélérateurs pour l’irradiation et l’analyse des molécules et matériaux (https://emira.in2p3.fr/).

En plus des livrables du projet (rapports d’avancement, annuels et finaux), des indicateurs quantitatifs spécifiques de réussite seront établis avec le chargé de projet de l’ANR et serviront de base de référence pour évaluer les résultats globaux du projet. Une plateforme de travail collaboratif hébergée à l’Université de Limoges sera mise à disposition de tous les participants au début du projet. L’accès à une page web publique du projet sera également disponible afin de diffuser les résultats du projet à une large communauté scientifique.

Du point de vue national, notre implication se traduira par une participation active aux GDR importants du domaine à savoir les GDR OxyFun (Oxydes fonctionnels) et Biocomp (Bioinspired computing).

Au-delà de la valorisation académique habituelle, les résultats seront très largement communiqués auprès des acteurs industriels en région. Pour autant, les actions de communication auprès du grand public ne seront pas négligées :

• Communication continue s’appuyant sur les canaux des laboratoires et des pôles de compétitivités Pôle Européen de la Céramique et Alpha-RLH (route des lasers et hyperfréquence) qui disposent d’une forte visibilité- réseaux sociaux (twitter et LinkedIn) et communication auprès des médias régionaux (presse écrite et télévision régionale)

• Communication / vulgarisation ponctuelle : nous participerons de façon régulière à la « nuit européenne des chercheurs » (septembre) et à la « fête de la science » (novembre). Ces manifestations annuelles à destination du grand public permettent de sensibiliser celui-ci au rôle de la science dans les problématiques sociétales et aux métiers de la recherche.

Les pôles de compétitivité Alpha-RLH et le Pôle Européen de la Céramique, qui ont tous deux accordés leur labélisation à notre projet, proposent l’organisation d’une « Journée IA » dans laquelle nous présenterons le thème du projet CIRANO pour atteindre une audience aussi bien du secteur académique que du secteur industriel.

Naturellement, les partenaires impliqués dans les différentes formations universitaires profiteront de leur position pour diffuser les thématiques et les résultats du projet (notamment dans les masters IXEO et « Sciences et Génie des Matériaux » à Limoges et « Physique et ingénierie de l’énergie » à Paris Saclay).

Coordinateur : Jean-Christophe ORLIANGES
Enseignant-chercheur qui dispense son enseignement de Science des Matériaux à l’Université de Limoges, il dispose d’une longue expérience dans le domaine visé par ce projet (l’intégration de « nouveaux » matériaux pour des applications microélectroniques et optiques, la conception, la micro fabrication de composants ainsi que la caractérisation optique et électronique des matériaux). L’impact de ses travaux de recherche est à mettre en parallèle avec le nombre de ses publications dans des revues à comité de lecture et d’actes de conférences (h-index:20 et plus de 150 publications et autres actes de conférences dont 53 concernent le dioxyde de vanadium référencés dans Google scholar).

Pour réaliser les objectifs de ce projet, le consortium impliqué dans CIRANO se compose de chercheurs et d’enseignants-chercheurs issus de laboratoires attachés à trois instituts du CNRS (XLIM/INSIS, IRCER/INC et IJCLab/IN2P3) et portant des expertises complémentaires dans les différents domaines visés par ce projet. La description synthétique des missions de chacun des partenaires est reprise dans la figure 5 présentant le déroulement du projet.

Le laboratoire XLIM (UMR 7252 CNRS/Université de Limoges) regroupe des chercheurs de profils pluridisciplinaires dont le savoir-faire est, pour les personnes impliquées dans ce projet, centré sur l’électronique et les hyperfréquences en couvrant l’ensemble des étapes de l’élaboration de dispositifs fonctionnels (croissance des NF de VO₂, conception, modélisation, micro fabrication, caractérisation et mesure).

L’IRCER (UMR 7315 CNRS/ Université de Limoges) engage, pour ce projet, une équipe dont l’expertise en matière de caractérisations morphologiques et structurales des matériaux est reconnue internationalement. En particulier les caractéristiques structurales (déformations, défauts, dopage) seront sondées par diffraction des rayons X et spectrométrie Raman in-situ, sous sollicitation thermique et/ou électrique. Des mesures de micro-diffraction X (Synchrotron ESRF-EBS, ligne BM32) seront également conduites afin de caractériser les nanofils individuels intégrés dans les dispositifs.

Le laboratoire IJCLab (UMR 9012 CNRS / Université Paris-Saclay et Université de Paris) apportera son expertise en matière de physique de l’irradiation. Le laboratoire dispose d’une plateforme d’accélérateurs de particules (labellisé par l’IN2P3) permettant (i) de couvrir une large gamme de projectiles et d’énergie (de 10keV à plusieurs MeV) et (ii) de réaliser des études par analyse par faisceau d’ions (RBS) pour la caractérisation en composition et notamment la teneur en oxygène grâce à des réactions nucléaires (NRA).

 Complémentarité des équipes :

Les tâches de ce projet pluridisciplinaire s’appuient sur la complémentarité des équipes dont l’objectif est d’optimiser d’un réseau fonctionnel d’oscillateurs couplés. En effet, le projet s’étend de la synthèse des matériaux jusqu’à l’intégration dans des dispositifs de nanofils de VO₂ (XLIM) aux propriétés de commutation optimisées pour cette fonction grâce à l’ajustement de ses propriétés par implantation et irradiation ionique (IJCLAB) sans dégradation de sa commutation intimement liée à la qualité de sa structure (IRCER).

 Comme indiqué dans le tableau en introduction du projet, le consortium compte 33% de femmes (4/12) ce qui est supérieur à la moyenne communément observée dans les sections CNRS représentées dans les laboratoires du consortium (section 01 (IJCLab): 22,7%, section 07 (XLIM): 25,4%, section 08 (XLIM): 26,7%, section 10 (IRCER): 24,5%, section 13 (IJCLab): 38,1% et section 15 (IRCER, IJCLab): 31,4%).

Néanmoins, tous les efforts seront faits, en particulier lors du recrutement du doctorant, pour augmenter la proportion de femmes au sein du consortium.