Academic literature on the topic 'Dispositifs à transitions métal-Isolant'

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit visent l’étude des caractéristiques électriques non-linéaires de la transition isolant-métal (MIT) du dioxyde de vanadium (VO2) et leurs applications à la réalisation de métamatériaux térahertz (THz) accordables. Cette transition MIT peut être initiée dans le matériau VO2 de différentes manières (thermiques, électriques et optiques) et entraîne différentes variations de propriétés du matériau (conductivité, constantes optiques et diélectriques). Dans un premier temps, nous étudions les non-linéarités électriques présentes dans les caractéristiques courant-tension (I-V) de dispositifs à base de VO2 lors de la transition MIT déclenchée électriquement. Cette étude met en évidence une transition MIT percolative avec un mécanisme d'origine thermique. Dans un deuxième temps, nous étudions l’application du changement des propriétés du matériau VO2 à la réalisation de métamatériaux THz accordables à base de VO2. L'intégration hybride du VO2 dans ces structures artificielles permet de leur conférer des réponses THz accordables, déclenchées thermiquement et électriquement. Nos travaux constituent une ouverture vers la réalisation de systèmes d'imagerie THz et de dispositifs accordables dans le domaine de l’infrarouge et de l’optique visible à base de métamatériaux accordables
The research presented in this manuscript focus on studying the non-linear electrical characteristics of the metal-insulator transition (MIT) in vanadium dioxide (VO2) and their applications towards the fabrication of tunable terahertz (THz) metamaterials. The MIT transition in VO2 can be triggered in different ways (thermal, electrical and optical) and is accompanied by different changes in material properties (conductivity, optical and dielectric properties). We studied the electrical non-linearities of the current-voltage (I-V) characteristics of VO2 based devices during the electrically triggering of the MIT transition. This study highlights a percolative-type MIT transition based on a thermal mechanism. Based on these findings, we design, fabricate and characterize tunable THz metamaterials (0. 1 – 1 THz) integrating VO2 films and patterns. The THz frequency response of the hybrid metamaterials is significantly changing as the VO2 material is performing a reversible thermally or electrically-driven MIT. Our research is opening new, interesting concepts towards the THz tunable and active systems and can be easily transposed for realizing active metamaterial-based devices in the infrared and visible optical domains

La transformation de nos sociétés par le digital génère des quantités importantes de données dont la croissance a atteint une vitesse exponentielle depuis les dernières années. En dépit du progrès technique en matière de calcul, les ordinateurs digitaux actuels suivent difficilement cette tendance et sont dépassés par l'ampleur de certains problèmes, notamment liés aux algorithmes d'intelligence artificielle et aux problèmes d'optimisation de grande échelle. La limitation principale est liée à l'architecture même des calculateurs digitaux, à savoir la séparation du processeur et de la mémoire qui induit un ralentissement par le transfert des données, aussi appelée le goulot d'étranglement de von Neumann. Afin de contourner cette limitation, d'autres méthodes de calcul furent proposées distribuant le processeur et la mémoire telles que les architectures neuromorphiques basées sur l'implémentation de réseaux de neurones artificiels inspirés du cerveau. En outre, repenser la manière digitale de calculer comme par exemple utiliser les lois physiques et analogiques a le potentiel de réduire l'impact énergétique de certains calculs tout en les accélérant. Cette thèse a pour objectif principal d'explorer une approche physique du calcul fondée sur des réseaux de neurones oscillants (ONN) analogiques à faible coût énergétique. En particulier, ce travail se concentre sur (1) les performances d'une architecture ONN basée sur des neurones oscillants à partir de dioxyde de vanadium et couplés par des résistances, (2) une nouvelle architecture d'ONN à signaux mixtes calculant dans le domaine analogique, et propageant l'information de manière digitale afin de faciliter la conception à grande échelle, et (3) comment les ONNs peuvent résoudre des problèmes d'optimisation combinatoire dont la complexité croît de manière exponentielle avec la taille du problème. Pour conclure, de potentielles applications et futurs axes de recherche sont discutés
Digitalization of society creates important quantities of data that have been increasing at an exponential rate during the past few years. Despite the tremendous technological progress, digital computers have trouble meeting the demand, especially for challenging tasks involving artificial intelligence or optimization problems. The fundamental reason comes from the architecture of digital computers which separates the processor and memory and slows down computations due to undesired data transfers, the so-called von Neumann bottleneck. To avoid unnecessary data movement, various computing paradigms have been proposed that merge processor and memory such as neuromorphic architectures that take inspiration from the brain and physically implement artificial neural networks. Furthermore, rethinking digital operations and using analog physical laws to compute has the potential to accelerate some tasks at a low energy cost.This dissertation aims to explore an energy-efficient physical computing approach based on analog oscillatory neural networks (ONN). In particular, this dissertation unveils (1) the performances of ONN based on vanadium dioxide oscillating neurons with resistive synapses, (2) a novel mixed-signal and scalable ONN architecture that computes in the analog domain and propagates the information digitally, and (3) how ONNs can tackle combinatorial optimization problems whose complexity scale exponentially with the problem size. The dissertation concludes with discussions of some promising future research directions

Ce travail de thèse, réalisé au Lab−STICC, dans le cadre du projet ANR MUFRED, porte sur l’étude, la conception et le développement de dispositifs hyperfréquences reconfigurables à base de dioxyde de vanadium (matériau à transition isolant-métal). Ce projet, multidisciplinaire – allant du dépôt et l’étude du matériau à la conception et la caractérisation de dispositifs RF en passant par une commande optique – vise à démontrer les performances du VO2 en tant qu’élément d’accord pour une commutation rapide (une dizaine de nanosecondes) à ultra-rapide (une centaine de picosecondes, selon la littérature). Pour ce faire, ce travail débute par une caractérisation du dioxyde de vanadium en tant qu’élément de commutation avant de l’intégrer dans des dispositifs reconfigurables.Ainsi, les premiers commutateurs SPST, SP2T et SP4T à base de VO2 sont conçus pour un contrôle de la transition isolant-métal par commande électrique et optique. Ces commutateurs sont par la suite utilisés dans la conception de déphaseurs reconfigurables 1-bit (déphasage relatif de 0° et − 45°) et 2-bits (déphasage relatif de 0°, − 90°, − 180°, − 270°) de type « True Time Delay » à lignes commutées.La suite du travail porte sur le démonstrateur ciblé par le projet MUFRED, i.e. un réseau d’antennes phasé reconfigurable à base de commutateurs de VO2. Les performances de chacun des blocs RF intervenant dans sa conception sont décrites, présentées et analysées.Les premiers démonstrateurs réalisés ont permis d’envisager des perspectives d’amélioration à court et long terme
This thesis, conducted at Lab−STICC as part of the ANR MUFRED project, focuses on the study, the design and the development of reconfigurable microwave devices based on vanadium dioxide (a metal-insulator transition material). This multidisciplinary project – from material deposition and study to the design and characterization of RF devices by way of optical control – aims to demonstrate the VO2 performances as a tuning element for fast (about ten nanoseconds) to ultra-fast (about hundred picoseconds) switching.With this aim in mind, this work begins with a characterization of vanadium dioxide as a tuning element before integrating it into reconfigurable RF devices.Thus, the first VO2 based switches, SPST, SP2T and SP4T are designed for control of the metal-insulator transition with an electrical or optical command. These switches are subsequently used in the design of reconfigurable 1-bit (relative phase shift of 0° and − 45°) and 2-bits (relative phase shift of 0°, − 90°, − 180° and − 270°) switched lines True Time Delay phase shifters.Then this study focuses on the proof-of-concept targeted by the MUFRED project, i.e. a reconfigurable phased array antennas based on VO2 switches. The performances of each RF blocks involved in its design are described, presented and analyzed.The first demonstrators carried out make it possible to foresee prospects for improvement in the short and long term

Les liquides ioniques sont des fluides non volatiles, constitués de cations et d’anions, qui sont conducteurs ioniques, isolants électriques, et peuvent avoir des valeurs de capacité très élevées. Ces liquides sont susceptibles non seulement de remplacer les électrolytes solides, mais également de susciter des champs électriques intenses (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) au sein d’une couche dite double couche électronique (electric double layer, EDL) à l’interface entre le liquide et le matériau sur lequel il est déposé. Ceci conduit à une injection de porteurs de charge bidimensionelle avec des densités allant jusqu’à SI{e15}{cm^{-2}}. Cet effet de grille remarquablement fort des liquides ioniques est réduit en présence d’états piégés ou de rugosité de surface. À cet égard, les dicalchogénures de métaux de transitions, de très haute qualité cristalline et atomiquement plats, font partis des semi-conducteurs les plus adaptés aux grilles EDL.Nous avons réalisé des transistors à effet de champ avec des EDL dans des nanotubes multi-couches de ce{WS2}, avec des performances comparables à celles de transistors EDL sur des ilots de ce{WS2}, et meilleurs que celles de nanotubes de ce{WS2} avec une grille solide. Nous avons obtenu des mobilités allant jusqu’à SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} pour les porteurs n et p, et des ratios de courants on/off dépassant SI{e5}{} pour les deux polarités. Pour de forts dopages de type électron, les nanotubes ont un comportement métallique jusqu’à basse température. De plus, utiliser un liquide ionique permet de créer une jonction pn de manière purement électrostatique. En prenant avantage de cet effet, nous avons pu réaliser un transistor photoluminescent dans un nanotube.La possibilité de susciter de très forte densités de charges donne la possibilité d’induire des phases métalliques ou supraconductrices dans des semi-conducteurs a large bande interdite. Nous avons ainsi réussi à induire par effet de champ une phase métallique à basse température dans du diamant intrinsèque avec une surface hydrogénée, et nous avons obtenu un effet de champ dans du silicone dopé métallique.Les liquides ioniques offrent beaucoup d’avantages, mais leur champ d’application est encore réduit par l’instabilité du liquide, ainsi que par les courants de fuites et l’absorption graduelle d’impuretés. Un moyen efficace de s’affranchir de ces inconvénients, tout en conservant la possibilité d’induire de très fortes densités de porteurs, est de gélifier le liquide ionique. Nous sommes allés plus loin en fabriquant des gels ioniques modifiés, avec les cations fixés sur une seule surface et les anions libres de se mouvoir au sein du gel. Cet outil nous a permis de réaliser une nouvelle diode à effet de champ de faible puissance
Ionic liquids are non-volatile fluids, consisting of cations and anions, which are ionically conducting and electrically insulating and hold very high capacitances. These liquids have the ability to not only to replace solid electrolytes, but to create strongly increased electric fields (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) in the so-called electric double layer (EDL) on the electrolyte/channel interface, which leads to the injection of 2D charge carrier densities up to SI{e15}{cm^{-2}}. The remarkably strong gate effect of ionic liquids is diminished in the presence of trapped states and roughness-induced surface disorder, which points out that atomically flat transition metal dichalcogenides of high crystal quality are some of the semiconductors best suited for EDL-gating.We realised EDL-gated field-effect transistors based on multi-walled ce{WS2} nanotubes with operation performance comparable to that of EDL-gated thin flakes of the same material and superior to the performance of backgated ce{WS2} nanotubes. For instance, we observed mobilities of up to SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} for both p- and n-type charge carriers and our current on-off ratios exceed SI{e5}{} for both polarities. At high electron doping levels, the nanotubes show metallic behaviour down to low temperatures. The use of an electrolyte as topgate dielectric allows the purely electrostatic formation of a pn-junction. We successfully fabricated a light-emitting transistor taking advantage of this utility.The ability of high charge carrier doping suggests an electrostatically induced metal phase or superconductivity in large gap semiconductors. We successfully induced low temperature metallic conduction into intrinsic diamond with hydrogen-terminated surface via field-effect and we observed a gate effect in doped, metallic silicon.Ionic liquids have many advantageous properties, but their applicability suffers from the instability of their liquid body, gate leakage currents and absorption of impurities. An effective way to bypass most of these problems, while keeping the ability of ultra-high charge carrier injection, is the gelation of ionic liquids. We even went one step further and fabricated modified ion gel films with the cations fixed on one surface and the anions able to move freely through the film. With this tool, we realised a novel low-power field-effect diode

Les polaritons intersousbandes (ISB) sont le résultat du régime de couplage fort lumière-matière entre les transitions intesousbandes de puits quantiques dopés et un mode photonique en microcavité. En raison de leur nature bosonique, les polaritons ISB peuvent être sujet à une diffusion stimulée par l'état final via différents mécanismes tels que la diffusion polariton-polariton ou la diffusion polariton-phonon. Les polaritons ISB sont très prometteurs dans la perspective du développement d'une nouvelle classe de laser, qui repose sur la diffusion stimulée par l'état final au lieu de l'inversion de population des lasers classiques. Cette thèse est consacrée au développement de dispositifs optoélectroniques (lasers et modulateurs) basés sur les polaritons ISB. À cet égard, nous avons développé une plateforme de cavité métal-métal (MIM) avec une ouverture périodique sur le miroir métallique supérieur, qui peut être utilisée pour réaliser des expériences d'injection électrique et optique dans les polaritons ISB. Nous avons démontré la formation des polaritons ISB et leur immunité à la présence d'un élargissement inhomogène. En outre, nous avons optimisé la largeur de ligne des transitions ISB par une technique de croissance d’épitaxie appelée interruption de croissance. En utilisant ces cavités MIM, nous avons réussi à démontrer la diffusion des polaritons vers un état final via leur interaction avec des phonons optiques longitudinaux (LO) sous injection résonante de lumière cohérente. Nous avons également développé des modulateurs d'amplitude en espace libre, qui reposent sur le changement de réflectance du régime de couplage fort auquel un biais de radiofréquence (RF) est appliqué. Enfin, nous avons montré l'existence d'une nouvelle forme d'état excitonique dans la bande de conduction des puits quantiques dopés. Pour cette démonstration, nous avons profité du fort confinement offert par le résonateur MIM pour lier ensemble les charges répulsives d'une transition ionisante
Intersubband (ISB) polaritons are the result of the strong light-matter coupling regime between intersubband transitions in doped quantum wells and a microcavity photonic mode. Owing to their bosonic nature, ISB polaritons can be subject to final state stimulated scattering via different mechanism such as polariton-polariton scattering or polariton-phonon scattering. ISB polaritons hold great promises in view of the development of a novel class of laser, which rely on final state stimulated scattering instead of the population inversion in conventional lasers. This thesis is devoted to the development of optoelectronic devices (lasers and modulators) based on ISB polaritons. In this respect, we have developed a metal-metal (MIM) cavity platform with a periodic opening on the top metallic mirror, which can be employed to perform both electrical and optical injection experiments within ISB polaritons.We have demonstrated the formation of ISB polaritons and their immunity to the presence of inhomogeneous broadening. In addition, we have optimized the linewidth of ISB transitions via an epitaxial growth technique known as growth interruption. Using these MIM cavities, we have successfully demonstrated the evidence of polaritons scattering towards a final state via their interaction with longitudinal optical (LO) phonons under resonant injection of coherent light. We have also developed free-space amplitude modulators, which rely on the change of reflectance of the strong coupling regime to which a radio frequency (RF) bias is applied. Finally, we have shown the existence of a new form of excitonic state within the conduction band of doped Quantum Wells. For this demonstration, we have taken advantage of the strong confinement offered by MIM resonator to bind together the repulsive charges of an ionizing transition.frequency range. In the presented work, we have developed a metal-metal cavity platform with a periodic opening on the top metallic mirror, which can be employed to perform both electrical and optical injection experiments. We have shown the formation of ISB polaritons and we have addressed an issue related to polaritons, i.e., the immunity of ISB polaritons to the presence of inhomogeneous broadening in active regions with high doping. In addition, we have optimized the linewidth of ISB transitions via epitaxial growth techniques such as modulation doping and the growth interruption. Using the metal-metal cavity platform, we have successfully demonstrated the optical pumping experiment into a bright polariton state to reveal the evidence of the polariton scattering towards a final state via interaction with the longitudinal optical (LO) phonon. We have also developed free-space amplitude modulators, which rely on the modulation of the strong coupling regime at a high speed via an applied electric field. Lastly, we have experimentally investigated a new type of the strong coupling regime for bound-to-continuum transitions in quantum well. This finding indicated that the strong light-matter coupling can non-perturbatively modify the excitation nature (ionizing), leading to the formation of polariton modes with the bound state nature

Le transport à très basse température dans des matériaux conducteurs désordonnés implique les phénomènes d'interférences quantiques, de répulsions coulombiennes, et le cas échéant de fluctuations supraconductrices. Deux (2D) étant la dimension critique inférieure pour l'existence des états métallique et supraconducteur, nous avons étudié deux transitions de phase quantiques - la Transition Supraconducteur-Isolant (TSI) et la Transition Métal-Isolant (TMI) - lorsque l'on diminue l'épaisseur d'un système désordonné, ici a-NbSi. La question sous-jacente est celle de l'articulation entre les différentes phases et les conditions d'apparition d'un éventuel état métallique à 2D. Nous avons étudié les TSI induites soit par un champ magnétique soit par le désordre. Les principales caractéristiques observées (renormalisation, rôle de l'orientation du champ) s'interprètent bien dans le cadre de la théorie de M.P.A. Fisher. Cependant nous ne trouvons pas une valeur universelle pour la résistance à la transition et les exposants critiques prévus par cette théorie. Concernant la TMI, nous avons diminué l'épaisseur d'un système métallique jusqu'à tendre vers 2D et l'état isolant. Dans ces deux transitions le passage vers l'isolant montre clairement l'existence d'états dissipatifs à température nulle non prévus par les théories conventionnelles. Nous proposons une interprétation de l'ensemble de nos résultats faisant intervenir une nouvelle phase à 2D entre les états supraconducteur et isolant - un métal de Bose - , prédite par des théories récentes. Nous traçons alors le diagramme de phase du système modèle NbSi en fonction de la concentration et de l'épaisseur des films.

Le transport à très basse température dans des matériaux conducteurs désordonnés implique les phénomènes d'interférences quantiques, de répulsions coulombiennes, et le cas échéant de fluctuations supraconductrices. Deux (2D) étant la dimension critique inférieure pour l'existence des états métallique et supraconducteur, nous avons étudié deux transitions de phase quantiques - la Transition Supraconducteur-Isolant (TSI) et la Transition Métal-Isolant (TMI) - lorsque l'on diminue l'épaisseur d'un système désordonné, ici a-NbSi. La question sous-jacente est celle de l'articulation entre les différentes phases et les conditions d'apparition d'un éventuel état métallique à 2D. Nous avons étudié les TSI induites soit par un champ magnétique soit par le désordre. Les principales caractéristiques observées (renormalisation, rôle de l'orientation du champ) s'interprètent bien dans le cadre de la théorie de M. P. A. Fisher. Cependant nous ne trouvons pas une valeur universelle pour la résistance à la transition et les exposants critiques prévus par cette théorie. Concernant la TMI, nous avons diminué l'épaisseur d'un système métallique jusqu'à tendre vers 2D et l'état isolant. Dans ces deux transitions le passage vers l'isolant montre clairement l'existence d'états dissipatifs à température nulle non prévus par les théories conventionnelles. Nous proposons une interprétation de l'ensemble de nos résultats faisant intervenir une nouvelle phase à 2D entre les états supraconducteur et isolant – un métal de Bose – , prédite par des théories récentes. Nous traçons alors le diagramme de phase du système modèle NbSi en fonction de la concentration et de l'épaisseur des films
Low temperature transport in disordered conducting materials imply quantum interference, Coulomb repulsion, and superconducting fluctuations. Since 2D is the lower critical dimension for the existence of metallic and superconducting states, we have studied two quantum phase transitions – the Superconductor-to-Insulator Transition (SIT) and the Metal-to-Insulator Transition (MIT) – when the thickness of a disordered system – here a-NbSi – is lowered. The underlying problem is the transition between the different states and the conditions for a 2D metal to exist. We have studied the field and disorder-induced SIT. The principal characteristics we have observed (renormalization, role of the field orientation) are well explained by M. P. A. Fisher's theory. However, we do not find the critical exponents values and a universal resistance at the transition as predicted by this theory. Concerning the MIT, we have decreased the thickness of a metallic system to reach the dimension 2 and an insulating state. In both transitions, the passage to the insulating state clearly shows the existence of dissipative states at zero temperature that are not predicted by conventional theories. We propose an interpretation of all our results that implies the existence of a novel phase in 2D, a Bose Metal, between the superconducting and the metallic states. This new state has been predicted by recent theories. We trace the corresponding phase diagram for the model system NbSi with respect to concentration and film thickness

La famille de chalcogénures spinelles lacunaires AM4X8 (A = Ga, Ge ; M = V, Ta, Nb ; X = S, Se) constitue un des rares exemples d’isolants de Mott qui deviennent métalliques sous pression, et même supraconducteurs pour GaTa4Se8 (TC = 8 K) et GaNb4Se8 (TC = 5. 7 K). Dans cette thèse, une transition isolant-métal non-volatile a été obtenue sur des monocristaux de ces composés via une perturbation très différente de la pression : l’application de pulses électriques très courts. Cette transition peut être réversible en inversant le sens d’application des pulses. Dans l’état "métallique", GaTa4Se8 présente un état supraconducteur avec une TC de l’ordre de 5-7 K. La résistance électrique ne tombe toutefois pas à zéro en-dessous de TC, ce qui suggère une supraconductivité de nature granulaire. Cette idée est confirmée par les études de microscopie à effet tunnel qui montrent une séparation de phase électronique, avec coexistence deux types de nano-domaines, les uns métalliques et les autres extrêmement isolants, inclus dans la phase majoritaire isolante. Le mécanisme de cette transition isolant – métal réversible ne semble pas correspondre à ceux répertoriés dans la littérature jusqu’ici. Nos résultats suggèrent l’existence d’un couplage électrostrictif qui génère une compression locale dans le matériaux pendant le pulse, entraînant ainsi une transition de Mott locale pilotée par l’augmentation des intégrales de transfert. Cette étude pourrait constituer la première mise en évidence expérimentale de ce type de phénomène. La réversibilité de la transition ouvre le chemin pour l’application de ces matériaux dans des mémoires non-volatiles de type RRAM
The chalcogenide lacunar spinel family AM4X8 (A = Ga, Ge ; M = V, Ta, Nb ; X = S, Se) is one of the rare examples of Mott insulators that become metallic under pressure, and even superconducting for GaTa4Se8 (TC = 8 K) et GaNb4Se8 (TC = 5. 7 K). During this PhD thesis, a non–volatile insulator to metal transition was obtained on single crystals of these compounds using a external stimuli very different than pressure : the application of electric pulses as short as 100 ns. This transition is reversible using opposite electrical current. In the “metallic like” state, GaTa4Se8 presents a superconducting state with a TC of about 5-7 K. The resistance does however not drop to zero, suggesting a granular superconductivity. This hypothesis is further confirmed by Scanning Tunneling Microscopy studies, showing an electronic phase separation where two types of nanodomains coexist, metallic ones and extremely insulating ones, both immerged into the insulating majority phase. The mechanism of this pulse–induced reversible insulator – metal transition does not seem to be one of those already known in literature. Our results suggest the existence of a electrostrictive coupling that generates a local compression during the pulse application, leading to a bandwidth-change driven Mott transition. This study could be the first experimental evidence of such a phenomenon. The reversibility of the transition opens the way for the application of these materials in non-volatile RRAM memories

L'évolution de la microélectronique silicium vers le sub-micronique nécessite une qualité d'isolant de grille parfaite. En particulier, il convient d'éviter toute contamination. Après une étude bibliographique critique concernant le problème de la contamination ionique de l'oxyde par diverses impuretés ioniques ( H, Na, K ), nous présentons deux modèles que nous avons développés permettant de connaître la localisation spatiale et énergétique des ions dans les couches isolantes. Pour répondre aux exigences de sensibilité requises par la microélectronique nous avons développé un banc de mesure de la contamination ionique informatisé lequel comporte diverses composantes originales. Nous avons. étudié le comportement du sodium et du potassium dans la silice thermique et avons montré qu'il existe des pièges ioniques communs à ces deux espèces. Nous avons également comparé l'influence de l'iode et du chlore sur le processus de neutralisation de ces ions. Alcalins. La migration ionique du calcium dans les structures MOS a été mise en évidence pour la première fois et les divers niveaux pièges ont été déterminés. Nous avons observé la migration ionique du potassium dans les couches de nitrure de silicium déposé CVD et avons caractérisé les niveaux-pièges relatifs à cette espèce, ainsi que sa mobilité. Les résultats obtenus ont été comparés à SiO2