Soutenance de thèse de Rémi DEFRANCE

Lynred est l’un des leaders mondiaux en matière de conception et de production d’imageurs infrarouges. Parmi ceux-ci, on compte les microbolomètres, des imageurs dont la sensibilité est directement reliée au matériau thermistor utilisé dont la caractéristique principale est de présenter un TCR (Temperature Coefficient of Resistance) élevé. En partenariat avec le CEA-Leti, Lynred a développé le matériau HROx, un oxyde de métal de transition à l’état amorphe. L’un des axes de recherche a abouti à cette thèse dont l’objectif est d’optimiser la composition du HROx afin de maximiser son TCR dans une gamme de résistivité électrique imposée par l’application. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire d’étudier le transport électronique dans ce matériau. Le HROx est un matériau où la présence de polarons est fortement suspectée. Les polarons sont des quasi-particules porteuses de charges dont le mode de transport, le hopping, est très différent de celui des électrons délocalisés. On parle alors de transport polaronique. Lors de cette thèse nous avons pu réaliser une large gamme de mesures expérimentales. Nous avons étudié la structure atomique du HROx avec des mesures au synchrotron ainsi que ses propriétés optiques avec des mesures d’éllipsométrie. Nous avons également cherché à extraire les paramètres du transport polaronique avec des caractérisations électriques de plusieurs échantillons HROx. Nous avons fait des mesures de coefficient Seebeck, de capacité en fréquence et en température, de coefficient Hall ainsi que de résistivité en température. Nous avons également réalisé des simulations atomistiques sur des structures amorphes générées par dynamique moléculaire ab initio. Ces structures ont pu être validées grâce aux caractérisations faites au synchrotron. Avec les simulations atomistiques nous avons étudié les propriétés du polaron dans les structures HROx nous permettant d’extraire les paramètres du transport polaronique, avec des résultats très encourageants. A l’aide des outils expérimentaux et de la simulation atomistique, nous essayons de proposer une modélisation efficace du transport polaronique dans le HROx afin de retrouver les tendances expérimentales. Pour terminer, nous présentons les perspectives de ce travail afin de définir au mieux les possibilités pour la suite de cette thèse.

Lynred is one of the world leaders in the design and production of infrared imagers. These include microbolometers, imagers whose sensitivity is directly related to the thermistor material used, whose main characteristic is a high TCR (Temperature Coefficient of Resistance). In partnership with CEA-Leti, Lynred has developed the HROx material, a transition metal oxide in an amorphous state. One of the research axes led to this thesis whose objective is to optimize the composition of HROx in order to maximize its TCR in a range of electrical resistivity imposed by the application. To achieve this goal, it is necessary to study the electronic transport in this material. HROx is a material where the presence of polarons is strongly suspected. Polarons are quasi-particles carrying charges whose transport mode, hopping, is very different from that of delocalized electrons. This is called polaronic transport. During this thesis, we were able to perform a wide range of experimental measurements. We studied the atomic structure of HROx with synchrotron measurements and its optical properties with ellipsometry measurements. We also tried to extract the polaronic transport parameters with electrical characterizations of several HROx samples. We made measurements of Seebeck coefficient, capacitance in frequency and temperature, Hall coefficient and resistivity in temperature. We also performed atomistic simulations on amorphous structures generated by ab initio molecular dynamics. These structures were validated thanks to the characterization made at the synchrotron. With the atomistic simulations, we studied the properties of the polarons in the HROx structures allowing us to extract the parameters of the polaronic transport, with very encouraging results. With the help of experimental tools and atomistic simulation, we try to propose an efficient modeling of the polaron transport in HROx in order to recover the experimental trends. Finally, we present the perspectives of this work in order to better define the possibilities of the following thesis.