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Soutenance de thèse de Menouar AZIB

par Isabelle Clarysse - publié le

Menouar AZIB soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

"Modélisation inverse pour une localisation nanométrique tridimensionnelle des charges électrostatiques dans des
diélectriques minces"

La soutenance se déroulera mardi 28 mai à 14h, site UPS, dans l’Amphithéâtre EINSTEIN, bâtiment 3TP2.

Le jury :
Mme Laetitia JOURDAN - Professeure des Universités, Université de Lille - Rapporteure
M. Brice GAUTIER - Professeur des Universités, INSA de Lyon - Rapporteur
M. Serge AGNEL - Professeur des Universités, Université Montpellier-II - Examinateur
M. Stéphane SEGONDS - Maître de Conférences (HDR), Université Paul Sabatier - Examinateur
M. Fulbert BAUDOIN - Maître de Conférences, Université Paul Sabatier - Directeur de thèse
M. Nicolas BINAUD - Maître de Conférences, Université Paul Sabatier - Co-directeur de thèse

Résumé :
Le microscope à force atomique (AFM) est un instrument de mesure qui semble adapté à la caractérisation des matériaux diélectriques à l’échelle nanométrique. Cette caractérisation électrique passe notamment par une localisation tridimensionnelle de la charge d’espace au sein des matériaux submicroniques. Des techniques dérivées de l’AFM comme la microscopie à force électrostatique EFM, ou à force de Kelvin KFM, permettent d’obtenir de nouvelles informations, à l’échelle nanométrique, sur l’état de charge des isolants et sur leur capacité à stocker/dissiper les charges. Cependant, ces techniques ne permettent pas de connaître précisément la densité de charge ni sa répartition en profondeur, données indispensables pour une meilleure compréhension des phénomènes de transport et de piégeage de charge. Depuis quelques années, l’utilisation des courbes de force électrostatique, EFDC (Electrostatic Force-Distance Curve), basée sur la mesure des forces électrostatiques au cours de phases d’approche/retrait entre la sonde AFM et les charges stockées dans le matériau ont donné des résultats encourageant. En effet, les EFDCs semblent montrer une sensibilité aux paramètres caractérisant la répartition spatiale de la charge dans les matériaux diélectriques (leur profondeur, leur répartition latéral, etc.).

L’objectif principal de cette thèse est donc une meilleure compréhension des interactions en jeu lors des mesures EFDC pour la caractérisation électrique des matériaux de manière à améliorer la sensibilité de la mesure. En particulier, des réponses devront être apportées quant à la possibilité de connaître la répartition latérale et en profondeur des charges à l’aide des seules courbes EFDC. Il s’agit d’un problème inverse à résoudre pour recouvrer, à partir de mesures expérimentales, ici les forces électrostatiques créées par les charges, la répartition spatiale des charges. La thèse se décline en 3 parties. La première partie concerne le modèle 3D de l’AFM sous le logiciel commercial COMSOL dans le but de simuler les EFDCs induites par des charges en respectant 2 critères : un temps de calcul le plus faible possible, une précision la plus grande possible. La deuxième partie concerne l’étape de validation du modèle avec des données expérimentales. Pour avoir des données exploitables et au plus proche des conditions réelles, les charges sont dans un premier temps assimilées à des électrodes enfouies sous potentiel électrique. Les résultats issus de ces expériences sont ainsi comparés au modèle pour d’une part le valider et, d’autre part, initier notre étude sur la sensibilité des EFDCs sur les paramètres de localisation de la charge sur un cas où ses données de localisation sont accessibles expérimentalement (ici, les électrodes enfouies). Enfin, la troisième partie concerne l’utilisation de méthodes inverses dans le but de localiser la charge à partir des EFDCs. Plusieurs techniques d’optimisation sont testées. Les résultats montrent que des jeux de paramètres différents induisent une même courbe de force (plusieurs minimums locaux) : des charges en profondeur mais à faible densité semblent donner les mêmes résultats que des charges en surface mais à forte densité. De plus, nous avons proposé une méthode originale pour déterminer l’étalement latéral des charges en connaissant uniquement la distribution du potentiel en surface du diélectrique. En enrichissant le modèle inverse avec cette information, les résultats montrent que chaque EFDC correspond à une seule configuration de charges. L’algorithme d’optimisation convergeant vers un minimum global, un triplé unique est alors identifié : le rayon, la profondeur et la densité de charge.