Relations structure-propriétés dans les dispositifs à commutation résistive à base de manganites – MangaSwitch

Les hétérostructures à base de manganites présentent des caractéristiques de commutation résistive et de résistance multiniveau très prometteuses leur permettant d'être utilisées comme nouvelles mémoires non volatiles et comme briques pour le calcul neuromorphique. Contrairement à la commutation filamentaire plus courante, les dispositifs à base de manganites permettent une commutation homogène sur l'ensemble de la surface du dispositif et devraient donc donner de plus faibles variations entre cellules (mémoires) et entre cycles. De plus, le transport électronique et ionique dans ces pérovskites peut être contrôlé en modifiant la composition et la microstructure, avec un effet direct sur les caractéristiques de commutation. Il est déjà prouvé que le transport ionique joue un rôle clé dans les mécanismes de commutation mais de nombreuses questions subsistent pour la compréhension du phénomène. En particulier, les joints de grains présents dans les dispositifs compatibles CMOS à base de films polycristallins de manganites jouent un rôle important sur le transport ionique dans ces matériaux mais leur impact éventuel sur la commutation résistive n'a pas encore été vraiment étudié. Pour obtenir une vision très complète des facteurs pouvant influencer les propriétés de commutation des dispositifs à base de films minces polycristallins de manganites, ce projet a été construit à partir des compétences complémentaires de 3 groupes de spécialistes du transport ionique dans les manganites (Grenoble, Aachen) et des dispositifs à commutation résistive (Jülich), de renommée internationale. La fabrication de systèmes modèles à base de films minces épitaxiés sera réalisée pour différentes compositions chimiques en utilisant des substrats à bi-cristaux permettant de bien contrôler les joints de grains. Une étude poussée de l'effet des joints de grains sur le transport ionique dans les films et sur leurs propriétés de commutation sera réalisée. La composition chimique et les propriétés structurales des films et des dispositifs seront déterminées en utilisant les nombreuses techniques disponibles au sein du consortium ou des différents synchrotrons européens (par ex SOLEIL et ESRF). Sont envisagées des techniques d'analyse de surface telles que des techniques de balayage à sonde et la spectroscopie d'émission de photoélectrons (XPS), et des techniques plus spécifiques du "bulk" telles que la spectroscopie Raman ou la spectroscopie d'absorption X (XAS). Des expériences de spectroscopie operando réalisées sur les dispositifs permettront de comprendre les changements chimiques et structuraux se produisant pendant la commutation. La diffusion ionique et l'échange d'oxygène à la surface des films seront étudiés pour différentes configurations des films en réalisant des expériences de diffusion avec l'18O comme traceur combinées à des mesures de spectrométrie de masse ionique secondaire à temps de vol (ToF-SIMS) et de spectroscopie Raman. Des simulations de dynamique moléculaire et de statique moléculaire de la diffusion de l'oxygène dans les films et dans les joints de grains viendront compléter les études expérimentales. L'ensemble des résultats nous permettra de comprendre les interactions complexes qui existent entre la microstructure, la composition chimique, le transport ionique et électronique et les performances de commutation des dispositifs à mémoire résistive à base de manganites. A partir de la compréhension de ces mécanismes, nous développerons de nouvelles méthodes de fabrication de micro-dispositifs compatibles CMOS à base de manganites très fiables et ayant une meilleure cinétique de commutation.