New approaches to understand conductive and polar domain walls by Raman spectroscopy and low energy electron microscopy

par Guillaume F. Nataf

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Nicholas Barrett et de Jens Kreisel.

Soutenue le 05-10-2016

à Paris Saclay en cotutelle avec l'Université du Luxembourg , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) , Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) et de Luxembourg Institute of Science and Technology (laboratoire) .

Le président du jury était Ludger Wirtz.

Le jury était composé de Nicholas Barrett, Jens Kreisel, Ludger Wirtz, Nathalie Viart, Manfred Fiebig, Agnès Barthélémy, Mael Guennou.

Les rapporteurs étaient Nathalie Viart, Manfred Fiebig.

  • Titre traduit

    Nouvelles approches pour comprendre les parois de domaines conductrices et les parois de domaines polaires par spectroscopie Raman et microscopie électronique de faible énergie


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales et électroniques des parois de domaines ferroïques ; il a pour objectif une meilleure compréhension des mécanismes de conduction dans les parois de domaines du niobate de lithium d’une part, et de la polarité des parois de domaine dans le titanate de calcium d’autre part. La première partie est consacrée aux interactions entre les défauts et les parois de domaine dans le niobate de lithium. L’observation d’une relaxation diélectrique de faible énergie d’activation et l’analyse de son comportement sous l’effet d’un recuit dans des échantillons avec et sans parois nous conduisent à proposer que les parois de domaines stabilisent des états polaroniques. Nous rapportons aussi l'évolution de modes Raman dans des échantillons congruents de niobate de lithium dopés de manière croissante en magnésium. Nous identifions des décalages en fréquence spécifiques aux parois de domaines. Les parois de domaines apparaissent alors comme des lieux de stabilisation des défauts polaires. Nous utilisons la microscopie électronique miroir (MEM) et la microscopie électronique de faible énergie (LEEM) pour caractériser les domaines et parois de domaines à la surface du niobate de lithium dopé magnésium. Nous démontrons que les réglages de la distance focale peuvent être utilisés pour déterminer la polarisation du domaine. Aux parois de domaines, un champ électrique latéral, provenant de différents états de charge de surface, est mis en évidence. Dans une seconde partie, nous étudions la polarité des parois de domaine dans le titanate de calcium. Nous utilisons la spectroscopie de résonance piézo-électrique pour mettre en évidence l’excitation de résonances élastiques par un signal électrique, ce qui est interprété comme une réponse piézoélectrique des parois de domaines. Une image directe des parois de domaine du titanate de calcium est obtenue par LEEM, et montre une différence de potentiel de surface entre domaines et parois. Ce contraste peut être modifié sous l’effet d’injection d’électrons, par un effet d’écrantage des charges de polarisation aux parois.


  • Résumé

    We investigate the structural and electronic properties of domain walls to achieve a better understanding of the conduction mechanisms in domain walls of lithium niobate and the polarity of domain walls in calcium titanate. In a first part, we discuss the interaction between defects and domain walls in lithium niobate. A dielectric resonance with a low activation energy is observed, which vanishes under thermal annealing in monodomain samples while it remains stable in periodically poled samples. Therefore we propose that domain walls stabilize polaronic states. We also report the evolution of Raman modes with increasing amount of magnesium in congruent lithium niobate. We identified specific frequency shifts of the modes at the domain walls. The domains walls appear then as spaces where polar defects are stabilized. In a second step, we use mirror electron microscopy (MEM) and low energy electron microscopy (LEEM) to characterize the domains and domain walls at the surface of magnesium-doped lithium niobate. We demonstrate that out of focus settings can be used to determine the domain polarization. At domain walls, a local stray, lateral electric field arising from different surface charge states is observed. In a second part, we investigate the polarity of domain walls in calcium titanate. We use resonant piezoelectric spectroscopy to detect elastic resonances induced by an electric field, which is interpreted as a piezoelectric response of the walls. A direct image of the domain walls in calcium titanate is also obtained by LEEM, showing a clear contrast in surface potential between domains and walls. This contrast is observed to change reversibly upon electron irradiation due to the screening of polarization charges at domain walls.


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