Simulation par éléments finis à partir de calculs ab-initio du comportement ferroélectrique

par David Albrecht

Thèse de doctorat en Science des matériaux

Sous la direction de Denis Aubry et de Brahim Dkhil.

Le président du jury était Jens Kreisel.

Le jury était composé de Grégory Geneste.

Les rapporteurs étaient Philippe Ghosez, René Billardon.


  • Résumé

    Les propriétés des matériaux ferroélectriques proviennent principalement de l’influencedes conditions aux limites et des déformations sur la polarisation. Cette influence est encoreplus grande à de petites échelles ou des structures particulières de la polarisation apparaissent,comme les vortex dans les cubes quantiques ou des structures en rayures dans lescouches minces. Pour le calcul, à très basses échelles, de telles structures de polarisation, lesHamiltonien effectifs, basés sur les calculs ab-initio sont les plus utilisés. Parallèlement Lesmodèles continus sont préconisés à plus grandes échelles. Néanmoins, il n’existe pas de lienentre ces deux modèles. Le but de cette thèse est alors de construire une approche permettantde relier ces deux modèles et par cela même ces différentes échelles.Notre modèle se base sur un Hamiltonien effectif écrit pour le titanate de baryum enfonction de la polarisation et des déformations. Cet Hamiltonien est reformulé de façon àdécrire un milieu continu. Les difficultés de cette reformulation proviennent des interactionsnon locales. Le résultat est alors un système d’équations aux dérivées partielles, décrivantl’équilibre et les conditions aux limites. La température est ensuite introduite de façon effectivedans les coefficients de ces équations. Notre modèle ressemble fortement aux modèlesde Landau.Une telle approche est appliquée dans les cubes quantiques et les couches minces óu l’organisationdes domaines dépend de la taille. Les résultats montrent l’implication de la méthodedes éléments finis sur la précision. La formation de vortex dans les cubes quantiquesest bien reproduite. L’agencement en domaines de polarisation alternée dans les couchesminces est elle aussi bien reproduite pour les couches minces. De plus en augmentant l’épaisseurde ces couches minces, la périodicité de cet agencement alterné est modifié, comportementdécrit par la loi de Kittel qui est ici calculée et comparée aux résultats expérimentaux.

  • Titre traduit

    First-principles-based finite element computation of the ferroelectric behaviour


  • Résumé

    Physicals properties of ferroelectric materials mainly arise from the fact that the polarizationis strongly influenced by strain and electrical boundary conditions, which may changeits orientation and magnitude. At small scales, this influence is even stronger and unusualdomain structures are produced like vortices in quantum dots or stripes in thin films. For thecalculation of domain structures, at small scales, first-principle-based effective Hamiltonianare widely used whereas at higher scales, continuum models are predominants. Nevertheless,in between there is no computational method connecting both scales. Therefore„ thegoal of this dissertation is to develop and build new approaches in order to bridge these twoseparated scales.Our model stems for classical effective Hamiltonian, written for barium titanate as afunction of the polarization and strain. This Hamiltonian is then formulated in order tocorrespond to a continuous description. Difficulties arise from non local interactions. In theend, the Hamiltonian is transformed into a set of partial differential equations describing theequilibrium and the boundary conditions. The temperature is then introduced in such a waythat makes evolve the coefficients of those sets of equations. We therefore reconstructed aLandu-like model.Such approach can be applied in quantum dots and thin films where the domain organizationdepend on the size. The results show how to apply finite element in order to obtainpatterns of polarizations with the wanted precision. The vortices shapes of domain patternin quantum dots is well reproduced. The stripes-like polarization pattern is also well reproducedin thin films. Besides expanding thickness of those films change the periodicity ofthose stripes, behaviour described by the Kittel law. This law is calculated and compared tomeasurements.


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