Topology of ferroelectric polarization at the BaTiO3(001) surface from ab initio calculations and electron microscopy-spectroscopy

par Jelle Dionot

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Grégory Geneste.

Le président du jury était Patrick Soukiassian.

Le jury était composé de Grégory Geneste, Patrick Soukiassian, Jorge Íñiguez, Igor Kornev, Tevfik Onur Menteş, Nick Barrett.

Les rapporteurs étaient Jorge Íñiguez, Igor Kornev.

  • Titre traduit

    Topologie de la polarisation ferroélectrique à la surface (001) de BaTiO3 par calculs ab initio et microscopie-spectroscopie d'électrons


  • Résumé

    À la surface ou à l’interface d’un matériau ferroélectrique, la polarisation peut être déstabilisée voire même annulée par le champ dépolarisation qui résulte de charges de polarisation non compensées. En l’absence de mécanismes d’écrantage extrinsèques (adsorbats, électrodes) ou intrinsèques (défauts, dopants), l’ordonnancement en domaines est le moyen le plus naturel dont un système a recourt pour rester ferroélectrique et minimiser son énergie électrostatique. Cette thèse se concentre sur l’étude de la stabilité de multiples configurations en domaines, ainsi que de la façon dont elle dépend de facteurs géométriques, chimiques et élastiques, à la surface du BaTiO3(001).Des calculs ab initio, fondés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, ont été menés pour éclaircir l’influence de la terminaison de surface, de la contrainte parallèle à la surface, de l’épaisseur du système et de la taille des domaines sur la polarisation de différentes phases ferroélectriques dans des couches ultraminces. L’effet de lacunes d’oxygène en surface sur la polarisation et sur la structure électronique a aussi été étudié. La microscopie d’électrons lents (LEEM) et la microscopie d’électrons photoémis (PEEM) ont été utilisées pour étudier les propriétés de la polarisation à la surface de monocristaux de BaTiO3 réduit, afin d’examiner l’influence des lacunes d’oxygène sur la polarisation ferroélectrique par une approche expérimentale, renforçant ainsi les résultats de calculs.


  • Résumé

    At a surface or interface of a ferroelectric material, the polarization can be destabilized and even suppressed by the depolarizing field which arises from uncompensated polarization charge. In the absence of external (adsorbates, electrodes) or internal (defects, dopants) screening mechanisms, domain ordering is the most natural way for a system to remain ferroelectric and minimize its electrostatic energy. This thesis focuses on the study of the stability of various possible domain configurations, and on how it depends and interplays on size, chemical and elastic factors, at the (001) surface of BaTiO3.First-principles calculations, based on density functional theory, have been performed to enlighten the influence of surface terminations, in-plane strain, system thickness and domain size in ultrathin films on the polarization in different ferroelectric phases. The effect of surface oxygen vacancies on the polarization and electronic structure has also been investigated. Low Energy electron microscopy (LEEM) and photoemission electron microscopy (PEEM) have been used to study the surface properties of ferroelectric polarization in reduced BaTiO3 single crystals, allowing to address the influence of oxygen vacancies on the ferroelectric polarization from experimental approaches, supporting the calculations results.


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