Thèse Implémentation de Modes Électriques pour la Microscopie à Force Atomique Application à la Caractérisation de Matériaux Bidimensionnels H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : LPCNO - Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets Direction de la thèse : Cédric ROBERT ORCID 0000000237223705 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-17T23:59:59 Le projet de thèse porte sur les matériaux bidimensionnels (2D), comme le graphène, découvert en 2004, qui suscitent un intérêt mondial en raison de leurs propriétés exceptionnelles (mécaniques, électroniques, optiques...). Ces matériaux, souvent observés sous forme de monocouche et issus de cristaux lamellaires (van der Waals), ont un fort potentiel technologique dans une large variété de domaine comme la micro et nano électronique, l'optoélectronique, les technologies quantiques, la spintronique et les capteurs. En outre, leur épaisseur ultime permet une intégration dans des dispositifs flexibles. Les matériaux bidimensionnels peuvent être synthétisés par croissance chimique ou exfoliation mécanique, et leurs propriétés diffèrent souvent radicalement de celles de leur cristal massif (ex. : émission de lumière pour le MoS2 monocouche ou très grande mobilité électronique dans le graphène). Au-delà de leurs propriétés intrinsèques souvent exaltées et nouvelles, leur autre atout réside dans la possibilité de créer des hétérostructures de van der Waals en empilant des couches 2D aux propriétés variées, sans contrainte d'accord de maille. Le contrôle de l'angle entre les couches (twistronique) permet notamment d'induire des propriétés inédites, comme la supraconductivité dans le graphène ou la ferroélectricité dans les dichalcogénures de métaux de transition et le nitrure de bore. Enfin, l'ingénierie de défauts ponctuels dans ces matériaux ouvre des perspectives pour des applications en communication quantique et capteurs ultra-fins.
Dans ce contexte, l'entreprise CSI vise à développer des outils de caractérisation innovants pour les matériaux 2D et les hétérostructures de van der Waals, destinés aux laboratoires et aux industriels. L'intégration de modes électriques pour la microscopie à force atomique (AFM) tels que le KFM (Kelvin Force Microscopy), le PFM (Piezoresponse Force Microscopy), le CAFM (Conductive Atomic Force Microscopy) et le Resiscope permettra une analyse rapide et simplifiée de la qualité et des propriétés de ces matériaux.
Le projet de thèse est d'étendre la collaboration entre CSI et le LPCNO en développant de nouveaux modes électriques pour la caractérisation de matériaux 2D et d'hétérostructures de van der Waals. Il est articulé autour de trois objectifs principaux :

- Développer le mode Resiscope pour imager les structures moiré.
- Imager des défauts ponctuels dans les couches semiconductrices de TMD et isolantes de hBN.
- Développer l'imagerie in operando en appliquant une tension de grille ou sous éclairement lumineux. Ce projet s'inscrit dans le domaine des nouveaux matériaux bidimensionnels (2D), dont l'épaisseur atomique ouvre des perspectives prometteuses. Depuis la découverte du graphène en 2004 [1] - une monocouche de carbone aux propriétés mécaniques et électroniques exceptionnelles - ces matériaux suscitent un intérêt mondial, tant pour la recherche fondamentale que dans l'industrie. L'initiative européenne Graphene Flagship a structuré un écosystème dédié, tout en élargissant le champ d'étude à une famille diversifiée de matériaux 2D : semi-conducteurs, isolants, magnétiques, ferroélectriques, isolants topologiques, voire supraconducteurs.
L'attrait pour ces matériaux s'explique par le vaste domaine d'applications allant des études de physique fondamentale au développement de composants innovants. Ils sont susceptibles d'impacter des secteurs clés comme :
- l'électronique et l'optoélectronique,
- les technologies quantiques,
- la spintronique,
- les capteurs.
Tous les matériaux 2D partagent une caractéristique : ils sont des monocouches atomiques issues de cristaux lamellaires (ou cristaux de van der Waals). Leur épaisseur ultime en fait des composants idéaux pour des dispositifs flexibles. Ces monocouches peuvent être synthétisées par croissance chimique ou isolées par exfoliation mécanique à partir d'un cristal massif et manipulées par des techniques de transfert avancées [2]. Elles présentent, pour la plupart, des propriétés physiques radicalement différentes de celles de leur cristal massif. Par exemple, une monocouche de MoS2 émet de la lumière, contrairement à des couches plus épaisses du même matériau [3]. Quant au graphène, il présente une mobilité électronique à température ambiante record [4], largement supérieure à celle de sa version massive, le graphite.
Une autre force majeure réside dans la possibilité de superposer des couches 2D pour former des hétérostructures de van der Waals (Figure 1b) [5]. Contrairement aux hétérostructures de matériaux conventionnels (épitaxiés ou obtenus par dépôt), il est possible :
- d'empiler des matériaux aux propriétés variées sans être limité par des contraintes d'accord de maille cristalline rendant les combinaisons d'empilements quasi illimitées.
- de contrôler l'angle entre les couches ajoutant un degré de liberté supplémentaire pour l'ingénierie des propriétés physiques.
Ces hétérostructures permettent de créer des systèmes hybrides « à la demande », combinant par exemple un semi-conducteur (pour le traitement de l'information) et un matériau ferromagnétique ou ferroélectrique (pour le stockage) [6]. Le contrôle de l'angle entre les couches (twistronique) permet d'induire des propriétés physiques totalement absentes dans les matériaux le constituant. Citons par exemple la supraconductivité induite dans des bicouches de graphène ou de WSe2 twistées [7] ou la ferroélectricité induite dans des matériaux isolants ou semi-conducteurs comme le nitrure de bore hexagonal (hBN) ou les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) [8-10].
Enfin, l'ingénierie de défauts ponctuels dans les matériaux 2D offre aussi des perspectives prometteuses, notamment pour le développement de sources de photons uniques (communication et calcul quantique) et la conception de capteurs quantiques ultra-fins et intégrables [11].

Sciences des matériaux
Physique du solide

• Chimie