Effets photo-induits dans les multiferroïques

par Charles Paillard

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Brahim Dkhil.

Le président du jury était Marin Alexe.

Le jury était composé de Brahim Dkhil, Igor Kornev, Javier Junquera, Patrycja Paruch, Grégory Geneste, Laurent Bellaiche.

Les rapporteurs étaient Philippe Ghosez.


  • Résumé

    Le besoin d'énergies propres et renouvelables, et en calculs numériques de plus en plus performant ont été deux des moteurs de la recherche mondiale. Les multiferroiques (matériaux présentant plusieurs ordres ferroiques couplés) ont pendant longtemps été étudiés pour des applications électroniques. Récemment, leur interaction avec la lumière a été considéré pour des applications photovoltaique. Leur grande bande interdite et la faible mobilité de leur porteurs sont néanmoins des freins à la conversion efficace de l'énergie solaire en électricité.Cependant, les matériaux multiferroiques présentent un nombre important de degrés de libertés, et leur interaction avec la lumière ne peut être réduite au seul effet photovoltaique. Ici, l'interaction lumière-multiferroique est d'abord considéré au travers de l'effet de photostriction (changement de longueur sous illumination). Les calculs ab-initio montrent que, dans le bismuth de ferrite, la photostriction peut être comprise comme un effect d'écrantage de la polarisation à l'échelle de la maille primitive, et de l'effet piézoélectrique inverse. Une solution solide de plomb nickel niobium et de titanate de plomb, présentant un fort effet piézoélectrique à sa frontière morphotropique est ensuite synthétisée et caractérisée pour ces propriétés optiques et électriques. Le rôle des défauts dans la grande conductivité des parois de domaines est aussi étudié, et des calculs de la théorie de la fonctionnelle densité montrent que les défauts se forment préférentiellement à la paroi, et y procure une plus grande densité de charges libres. Enfin, nous détaillons les dernières avancées d'un couplage de type spin-orbite, le couplage angulaire magnéto-électrique, et son application à la génération de champs magnétiques par une lumière polarisée circulairement.

  • Titre traduit

    Photo-induced effects in multiferroics


  • Résumé

    The need for clean and renewable energy, as well as constantly improved numerical performances have been two of the most important driving forces in research worldwide. In this light, multiferroic materials, which are materials presenting several ferroic order, have been widely investigated towards their application in electronics and computation, or as sensors. Recently, they have been also considered for their potential use to generate energy through the photovoltaic effect. However, power conversion have remained poor compared to existing technologies such as p-n junction silicon based solar cells, mainly because of their wide bandgap and low mobility of the carriers. Nevertheless, multiferroic materials often present a vast number of degrees of freedom, and their interaction with light cannot be reduced to the sole photovoltaic effect.In this work, we study from first-principles the interaction of light and strain in the multiferroic bismuth ferrite, and find that the so-called photostriction effect originates from a screening of the polarization at the unit cell scale, which results in a photo-induced strain via the action of the converse piezoelectric effect. A solid solution of lead nickel niobium and lead titanate, exhibiting large electromechanical properties at its morphotropic phase boundary, is then synthesized, and its optical and photoinduced properties are studied. Also, the influence of defects at domain walls in the model ferroelectric lead titanate is studied from ab-initio calculations, in order to understand why domain walls exhibit a large conductivity compared to the domains. It is found that defects are more likely to form at the domain wall, and provide it with extra-carriers. Eventually, the advances in a recently considered spin-orbit energy term, the Angular MagnetoElectric coupling (AME), are considered and applied to the Inverse Faraday Effect (IFE), that is the existence of a magnetic field induced by circularly polarized light.


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