STAGE : Etude des centres NV dans le diamant pour des applications de capteurs quantiques H/F

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Le Laboratoire Capteurs et Instrumentation pour la Mesure (LCIM) du CEA-LIST travaille sur le développement de capteurs, composants électroniques ou optiques, et microsystèmes à base de diamant de synthèse, visant à exploiter les propriétés physico-chimiques remarquables de ce matériau. Les applications incluent par exemple les composants pour l’électronique de puissance, les détecteurs de rayonnements, les microsystèmes de type MEMS, les dispositifs médicaux implantables, les électrodes diamant pour l’analyse chimique, etc. Ces développements nécessitent le plus souvent une grande maitrise des procédés et paramètres de croissance afin d’obtenir des films de diamant possédant les propriétés requises pour ces applications. Le diamant est synthétisé dans des réacteurs de croissance par MP-CVD (Microwave Plasma – Chemical Vapor Deposition). Le LCIM en possède 6 qui présentent chacun des spécificités pour le dopage, la croissance de monocristaux, revêtements larges surfaces, etc. Dans ce contexte l’étude des centres NV dans le diamant fait partie des thématiques de recherche d’intérêt majeur en particulier en raison du fort potentiel dans le domaine des capteurs quantiques. Les centres NV sont des défauts ponctuels dans le diamant où des atomes de carbone de la maille cristalline sont remplacés par des atomes d'azote (N), avec des lacunes adjacentes (V). Ces centres colorés émettent un signal de fluorescence rouge (600 à 800 nm) lorsqu'ils sont éclairés par une lumière verte (généralement 532 nm). Les centres NV ont des propriétés de spin bien définies. Le signal de fluorescence émis peut être utilisé pour détecter la transition de spin de « no spin » à « spin up » ou « spin down » induite par un rayonnement micro-ondes (polarisation de spin). Une baisse de la fluorescence indique l'apparition d'une résonance. Les transitions de « no spin » à « spin up » et de « no spin » à « spin down » diffèrent lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué, en raison de l'effet Zeeman. On obtient ainsi une répartition en deux fréquences de résonance, la différence entre ces deux fréquences étant directement proportionnelle au champ magnétique. Par conséquent, cet émetteur quantique de taille atomique a la capacité de mesurer quantitativement les champs électromagnétiques à l’échelle nanométrique via des moyens optiques dans des conditions ambiantes. Cette division peut être modulée en appliquant un champ électrique externe. En outre, la température et la pression influencent directement le terme de champ nul du centre NV, entraînant un décalage entre les niveaux d'état fondamental et excité. Les centres NV deviennent alors aussi potentiellement des capteurs de température, de champ électrique ou de pression, à l'échelle atomique. Les principales caractéristiques des centres NV sont qu'ils émettent dans la région spectrale visible et présentent une photo-stabilité illimitée et de longs temps de cohérence.

Les travaux seront menés au CEA-LIST dans le Laboratoire Capteurs et Instrumentation pour la Mesure basé sur le site CEA de Saclay, qui est très actif dans le domaine de la croissance de diamant CVD, avec des compétences et des connaissances allant de la science des matériaux et des surfaces au développement de capteurs et de microsystèmes, métrologie, analyse de données, simulation et mise en œuvre de systèmes.

Formation bac+4/bac+5 Ingénieur ou M2 dans le domaine des matériaux Spécialité du diplôme : matériaux, optique, instrumentation, physique appliquée

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