Croissance épitaxiale de films et superrésaux de vanadates de terres rares : vers l’émergence de propriétés multiferroïques

Rare earth vanadates thin films and superlattices epitaxial growth : towards multiferroics properties

• Auteur / Autrice : Gauthier Masset
• Direction : Stéphane Andrieu, Olivier Copie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy, Metz ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Pierson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Andrieu, Olivier Copie, Nathalie Viart, Wilfrid Prellier, Nathalie Lemée
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Viart, Wilfrid Prellier
• DOI : 10.70675/fa730083ze5e1z4b67zbbeczf08ee2697bb1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskites

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Couches minces

Superréseaux

Matériaux multiferroïques

Mots clés libres

Oxyde pérovskite

Épitaxie par jets moléculaires

Film mince

Superréseaux

Multiferroïsme

Perovskite oxide

Molecular Beam Epitaxy

Thin film

Superlattice

Multiferroïcity

Résumé

Récemment, un nouveau type de ferroélectricité a été découvert et étudié dans des superréseaux de pérovskites ABO₃/A'BO₃ (A = terres rare ou alcalino-terreux, B = métal de transition 3d, 4d ou 5d). Ce phénomène, nommé ferroélectricité hybride impropre, suscite un intérêt important puisqu’il pourrait conduire, dans des systèmes de pérovskites magnétiques, à un comportement multiferroïque, voire magnétoélectrique. Parmi les matériaux pérovskites prometteurs pour l'apparition d'une telle ferroélectricité et d’un comportement multiferroïque, les vanadates de terres rares (RVO₃) ont été identifiés. Nous rapportons dans ce manuscrit le travail de thèse dont l’objectif est de synthétiser et d'étudier les superréseaux RVO₃/R'VO₃ et leurs propriétés physiques. La croissance épitaxiale de films minces de PrVO₃ et LaVO₃ par épitaxie par jet moléculaire (MBE) assistée par ozone est rapportée en détails. Appuyés entre autres par des caractérisations in situ de diffraction d’électrons (RHEED), et ex situ de diffraction des rayons X (XRD), le processus de croissance a été optimisé. La croissance 2D couche-par-couche permet la croissance de superréseaux LaVO₃/PrVO₃ parfaitement contrôlés et de grande qualité cristalline. L’analyse par microscopie électronique (TEM) met en évidence des interfaces abruptes et permet d’identifier les variants structuraux et les déplacements atomiques, autant d’éléments clés pour l’apparition de la ferroélectricité hybride impropre. Les premières mesures des propriétés électriques sur les superréseaux suggèrent un comportement ferroélectrique dans un superréseau (LaVO₃)₁/(PrVO₃)₁.

Recently, a new origin for ferroelectricity has been discovered and studied in perovskite superlattices ABO₃/A'BO₃, (ABO₃ with A = rare earth or alkaline earth, B = 3d, 4d or 5d transition metal). This phenomenon, called improper hybrid ferroelectricity, rises considerable interest, since it may yield the emergence of a multiferroic or even magnetoelectric behavior in magnetic perovskites. Among the promising perovskite materials for such a ferroelectric and magnetoelectric behavior, rare earth vanadates (compounds RVO₃) have been identified. The thesis work reported in this manuscript aimed at studying RVO₃/R'VO₃ superlattices and their physical properties. The epitaxial growth of PrVO₃ and LaVO₃ thin films by ozone-assisted molecular beam epitaxy (MBE) is thoroughly investigated. An optimization of the growth process is carried out, mainly supported by in situ electron diffraction (RHEED), and ex situ X-ray diffraction (XRD). The epitaxy with layer-by-layer 2D growth mode for LaVO₃ and PrVO₃ on SrTiO₃(001) allows the deposition of high quality LaVO₃/PrVO₃ superlattices. The analysis by electrons microscopy (TEM) highlights abrupt interfaces and enables the determination of structural variants and atomic displacements, key elements for the emergence of improper hybrid ferroelectricity. The first results on the superlattices’ electric properties suggest the occurrence of a ferroelectric behavior in a (LaVO₃)₁/(PrVO₃)₁ superlattice.