Simulation atomistique de défauts créés par irradiation dans les semiconducteurs

Avec le développement de l’informatique quantique au cours des dernières années, la recherche de matériaux permettant le stockage et l’utilisation de bits quantiques (qubits) s’est, elle aussi, intensifiée. Les propriétés des semi-conducteurs en font des candidats potentiels intéressants pour de telles applications. L’expérience du projet ANR QUWIS démontre qu’il est possible de créer des défauts ponctuels stables dans des matériaux semi-conducteurs après le bombardement par ions lourds. En fonction de leur stabilité, ces défauts pourraient être de bons candidats pour le support de qubits. Cependant, les modèles existant pour décrire les défauts dans les oxydes ne suffisent pas à expliquer et étudier la stabilité des défauts dans les semi-conducteurs. La simulation à l’échelle atomique de matériaux semi-conducteurs à large bande interdite comme GaN, AlN et SiC peut apporter des éléments pour comprendre les spécificités de ces matériaux, et en rendre compte dans les modèles expliquant les résultats théoriques.

Ce projet de thèse vise à étudier à l’échelle atomique la stabilité des défauts, notamment des nuages électroniques locaux. Des méthodes quantiques – DFT avec le code VASP ou le code Quantum Espresso seront utilisées pour connaître les propriétés électroniques des défauts ; la méthode de la dynamique moléculaire pour une échelle plus importante que les calculs ab initio sera utilisée pour simuler l'effet de l'irradiation des ions lourds rapides sur la diffusion des impuretés dans nos matériaux, et la recristallisation des traînées conduisant à la formation des défauts locaux. Cet aspect nécessite probablement le développement d’un potentiel prenant en compte des interactions coulombiennes et l’environnement électronique des défauts. Le projet vise donc à utiliser les outils de Machine Learning afin de paramétrer un modèle classique permettant l’étude aux temps longs de la recristallisation, de la diffusion des défauts, de la réorganisation interne des matériaux.

Fondé en 2008, le CIMAP est un laboratoire de recherche axé sur deux thèmes principaux : la matière excitée et les défauts, d’une part et les matériaux et l’optique, d’autre part. Le large éventail de disciplines présentes au CIMAP provient de sa longue tradition de structuration de la recherche en Physique à l’échelle de la Basse-Normandie mais aussi à l’échelle nationale.

Son rôle structurant est également présent à travers la plateforme CIRIL, la fédération de recherche EMIR sur l’irradiation des matériaux et la fédération de recherche IRMA sur les matériaux.

Le CIMAP est administrativement lié à quatre institutions partenaires. Il est localisé sur 3 sites : une partie du laboratoire est hébergée par l’École Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), une partie est située sur le campus du GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds) et le dernier site est sur le campus de l’IUT d’Alençon. Le CIMAP est une unité de recherche CNRS (UMR 6252) liée à l’Institut de Physique (INP, primaire) et à l’Institut de Chimie (INC, secondaire). C’est également une unité du CEA liée à la Direction de la Recherche Fondamentale (DRF) à travers l’Institut Rayonnement-Matière de Saclay (IRAMIS). Enfin, le CIMAP est lié à l’Université de Caen (UNICAEN) et à l’ENSICAEN, ce qui lui confère une forte implication dans l’enseignement supérieur.

L’équipe PM2E s’intéresse aux interactions entre les procédés de fabrication, la microstructure et les propriétés d’usage des matériaux, avec pour objectif d’optimiser le cycle de vie des structures et dispositifs, par réduction des consommations énergétiques et utilisation de matériaux bio-sourcés. Le champ de recherche de PM2E va des matériaux semi-conducteurs aux matériaux composites. En couplant des investigations et observations et des méthodes de simulation à différentes échelles, les chercheurs de l’équipe PM2E apporte une compréhension fine des phénomènes en jeu durant toute la vie de ces matériaux.

Candidat·e finissant ou ayant un niveau master/école d’ingénieur, dans des domaines proches des sciences des matériaux, de la physique ou de la chimie théorique.

Compétences hautement recherchées :

• Une expérience en programmation (C++, Fortran ou Python...) ou un fort intérêt pour le calcul scientifique et les méthodes numériques.
• Connaissances en physique statistique et/ou chimie quantique et/ou en modélisation atomistique
• Compétences en science des matériaux