Thèse de la Croissance Épitaxiale au Dispositif Intégré Développement de Surfaces Infrarouges Adaptatives Basées sur des Nickelates à Transition Métal-Isolant H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Laboratoire Albert Fert, CNRS, Thales, Université Paris Saclay Direction de la thèse : Pierre SENEOR Début de la thèse : 2026-12-01 Date limite de candidature : 2026-10-23T23:59:59 La modulation dynamique de la signature thermique infrarouge représente un enjeu majeur pour le développement de surfaces adaptatives capables de contrôler leur rayonnement thermique. Les matériaux présentant une transition métal-isolant (TMI) abrupte constituent une plateforme prometteuse pour ces applications grâce aux fortes variations de leurs propriétés électroniques et optiques autour de leur température de transition. Parmi eux, les nickelates de terres rares offrent une grande flexibilité chimique et structurale permettant d'ajuster leur transition métal-isolant par le contrôle de leur composition cationique. De plus, la TMI de ces matériaux est extrêmement sensible à la déformation mécanique, ce qui ouvre la voie à une modulation active par ingénierie de la contrainte. Ce projet vise à développer des surfaces infrarouges adaptatives basées sur des hétérostructures nickelates/PMN-PT reconfigurables. Des résultats préliminaires ont montré le potentiel du matériau piézoélectrique monocristallin PMN-PT pour induire une modulation efficace de la transition métal-isolant dans les nickelates. L'objectif sera d'optimiser le couplage mécanique entre le PMN-PT et les couches actives afin de maximiser le déplacement réversible de la température de transition sous champ électrique, en étudiant notamment le rôle des interfaces et des couches tampons.
Une étape majeure du projet consistera à explorer l'intégration de couches minces de PMN-PT afin de dépasser certaines limitations associées aux substrats monocristallins et de préparer le développement futur de dispositifs reconfigurables spatialement. Enfin, une attention particulière sera portée à la montée en échelle du procédé de fabrication, en utilisant la croissance par dépôt laser pulsé comme plateforme d'optimisation avant un transfert vers des procédés compatibles avec des surfaces de plus grande dimension.
L'objectif final est d'établir les bases scientifiques et technologiques nécessaires au développement de surfaces thermiques adaptatives pour le contrôle dynamique de la signature infrarouge. Infrared camouflage is a promising approach for controlling the thermal signature of objects, with potential applications ranging from defense to thermal management. Infrared cameras detect the radiation emitted by an object, which depends both on its temperature and on its thermal emissivity. While active cooling can modify the thermal signature, controlling the emissivity offers a more practical approach for adaptive infrared surfaces. However, achieving an active and reversible modulation of emissivity close to room temperature remains challenging.

Materials exhibiting an abrupt metal-insulator transition (MIT) are particularly promising for this purpose because their electronic and optical properties, and consequently their infrared emissivity, can change significantly around the transition temperature. Rare-earth nickelates (RNiO) are especially attractive because their transition temperature can be tuned over a wide range through chemical composition and epitaxial strain. This flexibility makes it possible to position the MIT close to room temperature, which is essential for practical infrared applications.

Recent work within the CNRS-Thales collaboration has demonstrated that SmNdNiO thin films can exhibit a MIT close to room temperature together with a significant modulation of their infrared emissivity, including a zero differential thermal emission response. These results establish rare-earth nickelates as a promising platform for adaptive infrared surfaces. The next challenge is to achieve active and reversible control of the MIT and emissivity. Electrical control through carrier doping has been demonstrated, while mechanical control using piezoelectric substrates offers another promising route. However, the magnitude of the induced modulation and the integration of such structures remain challenging, motivating the development of optimized nickelate/piezoelectric heterostructures. The thesis will have four main objectives:
- Maximize strain transfer and active MIT control: Optimize the interfaces and layer structure to improve the transfer of electrically induced strain from PMN-PT to the nickelate and maximize the reversible control of the metal-insulator transition.
- Develop thin-film nickelate/PMN-PT heterostructures: Replace bulk PMN-PT substrates with integrated piezoelectric thin films and optimize their structural and functional properties for efficient mechanical coupling with nickelate layers.
Control and optimize infrared emission: Investigate the relationship between electrically induced strain, the metal-insulator transition and infrared emissivity, with the aim of maximizing and stabilizing the electrically controlled infrared response.
- Towards scalable and spatially reconfigurable surfaces: Develop material growth and device approaches compatible with larger-area surfaces and explore strategies for locally controlling the strain and infrared response. The project will combine thin-film growth, materials characterization, optical and electrical measurements, and device fabrication. Nickelate and piezoelectric thin films will be grown and optimized to obtain high-quality heterostructures with efficient mechanical coupling. Structural, electrical and infrared optical measurements will be used to characterize the metal-insulator transition and its response to applied electric fields. Different material architectures and growth approaches will then be explored to improve the performance and scalability of the resulting adaptive infrared surfaces.

Le candidat devra avoir une formation solide en physique, science des matériaux, physique du solide ou dans un domaine connexe, ainsi qu'un intérêt marqué pour la recherche expérimentale. Des connaissances en matériaux fonctionnels, en physique des transitions de phase ou en propriétés électriques et optiques des matériaux sont souhaitées. Une expérience en croissance de couches minces, caractérisation structurale, mesures électriques ou optiques serait appréciée, sans être indispensable.

Le candidat devra être motivé pour travailler à l'interface entre science des matériaux, physique et dispositifs pour les applications infrarouges, et être intéressé par l'apprentissage de nouvelles techniques expérimentales. De bonnes capacités d'analyse, de l'autonomie, de la curiosité scientifique et une aptitude au travail en équipe sont attendues.

• Travail en équipe
• Électricité
• Autonomie
• Esprit d'analyse
• Chimie
• Science des matériaux