Thèse Développement et Optimisation de Capteurs à Effet Hall en Graphène H/F - 34

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes
Laboratoire de recherche : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
Direction de la thèse : Christophe COILLOT ORCID 3694000336943951
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59

L'objectif du projet de thèse est de développer la fabrication et mesurer les propriétés électroniques et de composant de capteurs à effet Hall à base de graphène (capteurs de champ magnétiques). L'optimisation de tels capteurs se fera en comparant différentes sources de graphène et en combinant des mesures de magnétotransport avec des mesures de bruit électroniques sur des croix de Hall en configuration transistor. Ces mesures seront accompagnées d'une modélisation par élément fini afin d'évaluer les facteurs limitants et les propriétés intrinsèques de tels que capteurs afin d'optimiser leur développement jusqu'à la preuve de concept d'un capteur pouvant rivaliser avec des capteurs commerciaux, et idéalement grâce à des approches compatibles avec une mise à l'échelle.
L'étudiante ou l'étudiant sera accompagné des chercheurs permanents du projet et d'un postdoc sur la première année pour, dans un premier temps, fabriquer des capteurs à base de différentes sources de graphène, puis mesurer leur sensibilité en conditions ambiantes et à température variable. Le champ magnétique minimum détectable (ou bruit équivalent en champ magnétique) sera alors évalué en fonction des capteurs et des conditions d'utilisation (courant, électrique, tension de grille, etc...). Une modélisation dédiée sera développée afin d'interpréter finement l'ensemble de ces mesures, de proposer les développements vers des capteurs à l'état de l'art et d'évaluer les limites intrinsèques de tels capteurs.

Les détecteurs de champ magnétique à température ambiante s'appuient principalement sur deux types d'effets physique, l'effet Hall ou la magnétorésistance (géante ou tunnel). A ce jour, les capteurs à effet Hall sont omniprésents [Vervaeke2009] en raison de leur bas coup, leur simplicité de lecture et leur applicabilité sur de grandes gammes de champ magnétique, bien qu'ils présentent de moins bonnes sensibilités que les capteurs magnétorésistifs.
Grâce à ses propriétés électroniques hors-norme, différentes études ont montré que le graphène est un matériau de choix pour le développement de capteurs à effet Hall [Collomb2021]. Il présente des sensibilités de l'ordre des capteurs commerciaux (pour le graphène CVD, pouvant être mis à l'échelle) [Chen2015], voire supérieures (pour le graphène exfolié et encapsulé dans hBN, en condition de laboratoire) [Dauber2015]. Il a même été démontré récemment que des performances à l'état de l'art peuvent être atteintes avec du graphène CVD [Tyagi2024].
Au sein de l'équipe TQNS, en s'appuyant sur les expertises de l'équipe en synthèse de graphène, en mesures électroniques fondamentales et en capteurs (dans différents milieux)[Thèses/TQNS], nous avons initié un projet permettant de développer et d'étudier la détectivité de composants électroniques. Nous avons débuté des essais pour comparer, différentes sources de graphène entre elles (croissance CVD, épitaxie sur SiC et exfoliation) pour la détection de champ magnétique. Ce projet se fait dorénavant dans le cadre d'un projet ANR en collaboration avec le LPCNO (Toulouse) [Petit2024] visant à la démonstration de capteurs de champs homogènes et inhomogènes en graphène pouvant rivaliser avec les magnétorésistances tunnel.

Le projet vise à explorer et optimiser les performances de capteurs à base de graphène.

Le travail s'articulera autour de :
- la fabrication de dispositifs à partir de différentes sources de graphène (CVD, épitaxie sur SiC, exfoliation),
- la caractérisation expérimentale via des mesures de magnétotransport et de bruit électronique (croix de Hall en configuration transistor),
- l'évaluation des performances, notamment la sensibilité et le champ magnétique minimal détectable en fonction des conditions d'utilisation (courant, tension, grille, température),
- la contribution au développement d'une modélisation par éléments finis afin d'identifier les mécanismes limitants et les propriétés intrinsèques.