Nanomatériaux à transition de phase pour des dispositifs neuromorphiques

Phase transition nanomaterials for neuromorphic devices

• Auteur / Autrice : Oihan Allegret
• Direction : Aurelian Crunteanu-stanescu, Jean-christophe Orlianges
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Inscription en doctorat le 28/08/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : XLIM RFE - Radio-Fréquences et Electronique Imprimée pour les Télécoms et l'Energie

Mots clés

Mots clés libres

Dispositifs neuromorphiques

Nanofils

Transition isolant-métal

Neuromorphic devices

Nanowires

Insulator to metal transition

Résumé

De façon complémentaire à la tendance de la microélectronique à poursuivre la miniaturisation de ses composants, son évolution moderne conduit à intégrer de nouveaux matériaux pour implémenter des tâches plus évoluées, notamment pour prendre en charge les algorithmes d'intelligence artificielle. Le sujet de thèse proposé ici s'intéresse à l'intégration de nanofils (NF) de matériaux à transition de phase (le dioxyde de vanadium,VO_2) pour la fabrication de composants imitant le fonctionnement des neurones. Ce projet s'inscrit dans le cadre d'une collaboration de longue date entre les laboratoires IRCER et XLIM et fait partie intégrante du projet ANR CIRANO (ANR-22-CE24-0016) regroupantles deux laboratoires précédemment cités ainsi que l'IJCLab (Paris – Saclay). Ainsi, le projet propose de mettre à profit les propriétés oscillatoires de dispositifs nanométriques incorporant du dioxyde de vanadium sous forme de NF monocristallins afin de démontrer expérimentalement la synchronisation par couplage capacitif et/ou résistif d'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 10^4 à 10^5 dans le cas de VO_2) 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 VO_2 sont connus pour présenter une transition induite par la température, l'injection de courant, de photons ou l'application de contrainte/déformation. Spécifiquement, dans le cadre de la thèse, nous nous intéresserons à la synthèse, aux caractérisations structurales et électriques(résistivité et caractérisation des oscillations) de ces nanofils purs et dopés par implantation ionique. Les caractérisations structurales(DRX, spectroscopie Raman…) seront conduites à l'IRCER ; les synthèses de nanofils de VO_2 (par une technique de type VLS) et leur intégration dans des dispositifs simples permettant de les caractériser électriquement seront réalisés dans un environnement salle blanche à XLIM ; enfin, le dopage de ces nanofils sera réalisé sous la forme de campagnes d'irradiation/implantation ionique utilisant des accélérateurs de particules disponibles à l'IJCLab.

In addition to the trend of microelectronics to further miniaturize its components, its modern evolution leads to the integration of newmaterials to implement more advanced tasks, especially to support artificial intelligence algorithms. The subject of the thesis proposed here is the integration of nanowires (NW) of phase transition materials (vanadium dioxide, VO_2) forthe fabrication of components mimicking the behaviour of neurons. This project is part of a long-standing collaboration between theIRCER and XLIM laboratories and is an integral part of the ANR CIRANO project (ANR-22-CE24-0016) involving the two laboratoriesmentioned above as well as IJCLab (Paris - Saclay). Thus, the project proposes to take advantage of the oscillatory properties of nanometric devices incorporating vanadium dioxide in theform of single crystal NW in order to experimentally demonstrate the synchronization by capacitive and/or resistive coupling of relaxationoscillators. The performance of these devices relies on the insulator-to-metal transition (IMT) exhibited by these oxides. This transition is characterized by an abrupt change in device resistance (contrast of 10^4 to 10^5 in the case of VO_2) on very short time scales (on the order of femtoseconds to nanoseconds depending on the mode of excitation of the transition). Mott insulators such as VO_2 are known to exhibit a transition induced by temperature, current injection, photons or stress/strain application. Specifically, within the framework of the thesis, we will focus on the synthesis, structural and electrical characterization (resistivity andoscillation behavior) of these pure and ion-implanted nanowires. The structural characterizations (XRD, Raman spectroscopy...) will beconducted at IRCER; the synthesis of VO_2 nanowires (by a VLS type technique) and their integration in simple devices allowing to characterize them will be carried out in clean room environment at XLIM; finally, the doping of these nanowires will be performed in theform of irradiation/ion implantation campaigns at the accelerators available at the IJCLab.