Description
Date depot: 4 avril 2022
Titre: Spectroscopie micro-onde par couplage électro-élastique - Amélioration des performances à haute fréquence pour la caractérisation des couches minces isolantes
Directeur de thèse:
Emmanuel GÉRON (LPEM (EDITE))
Domaine scientifique: Sciences pour l'ingénieur
Thématique CNRS : Non defini
Resumé: Les propriétés électriques d'un matériau conditionnent complètement le dimensionnement du dispositif électronique dans lequel il est utilisé. Pour un isolant, les propriétés électriques les plus souvent utilisées (permittivité et la conductivité) sont presque toujours mesurées par impédancemétrie sur des structures MIM (Métal/Isolant/Métal) où l'isolant correspond au matériau testé. L'impédance électrique en amplitude et en phase de la structure MIM est mesurée en fonction de la fréquence ce qui permet de repérer la dynamique des différents dipôles présents dans le matériau, responsables notamment des pertes diélectriques. À haute fréquence, il existe d'autres types de pertes que les pertes purement diélectriques. En effet, lorsqu'on applique un champ électrique variable à un isolant, un couplage électro-élastique se produit par effet électrostatique, électrostrictif voire piézoélectrique. Les ondes ultrasonores ainsi générées emportent une partie de l'énergie ce qui équivaut, du point de vue de la mesure, à une perte. Le couplage électro-élastique dépendant directement de la densité de charges électriques dans le matériau testé, il est possible d'estimer la distribution du champ électrique à l'intérieur de ce matériau par spectroscopie. Cette information est capitale pour l'étude du vieillissement des matériaux isolants. L'accès à cette information à haute fréquence et de manière non-destructive permet l'étude de couches minces.
Le Laboratoire de Physique et d'Étude des Matériaux est spécialiste dans l'étude et le développement de dispositifs micro-ondes et dans la caractérisation des matériaux isolants. Il a ces dernières années démontré la faisabilité de la méthode de mesure par spectroscopie micro-onde avec un potentiel de résolution spatiale inférieur à 100 nm, soit une amélioration de plus d'un facteur 100 par rapport à toutes les méthodes de mesure concurrentes.
Les dernières avancées sur le dispositif de mesure pour les échantillons en couches minces ont amené une amélioration sensible de la qualité de la mesure et de la résolution d'un échantillon de test en polymère piézoélectrique. Néanmoins si ces mesures sont remarquables, il faut maintenant appliquer le dispositif de mesures sur des isolants non piézoélectriques soumis à des tensions élevées pour valider complètement la méthode.
Effectuer de telles mesures sur des isolants en couche mince non piézoélectriques reste un défis. L'application de la méthode même dans sa forme actuelle la plus aboutie nécessite ainsi le développement d'un dispositif micro-onde très performant. L'énergie réfléchie par la structure MIM formée par le matériau testé est intrinsèquement très importante. Un dispositif d'adaptation micro-onde réglable en fréquence sera nécessaire afin de maximiser la puissance transmise à l'échantillon pour augmenter le couplage électro-élastique et donc la réponse du matériau.
Il est ensuite nécessaire de bien dissocier les deux phénomènes de pertes, d'une part celui purement diélectrique et, d'autre part, celui par couplage électro-élastique. Cette étape effectuée, il devient alors possible de reconstruite la distribution du champ électrique à partir de la réponse spectrale de l'échantillon.
L'objet de cette thèse est d'étudier et de mettre en place un banc de mesure complet pour la méthode de mesure spectroscopique proposée. Cela nécessite de la part des candidats, de bonnes connaissances préalables en micro-ondes, en électronique haute fréquence et en traitement du signal. Une bonne maitrise des techniques de mesures hyperfréquences est également souhaitable.