Photo-réponses d'oxydes ferroélectriques

Photo-response of ferroelectric oxides

• Auteur / Autrice : Halyna Volkova
• Direction : Pierre-Eymeric Janolin, Brahim Dkhil, Ingrid Canero Infante
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/11/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de structures, propriétés et modélisation des solides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Doru Constantin Lupascu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Eymeric Janolin, Brahim Dkhil, Ingrid Canero Infante, Nicolas Chauvin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maël Guennou, Florence Porcher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés optiques

Conversion photovoltaïque

Ferroélectricité

Mots clés libres

Ferroélectriques

Effets photo-induits

Énergie propre

Ferroelectrics

Photo-induced effects

Optical properties

Résumé

Il y a un besoin de nouvelles technologies photovoltaïques avec une efficacité de conversion lumière-électricité augmentée, qui puissent être des alternatives aux dispositifs plus traditionnels d’efficacité limitée et couteux à base de jonctions p-n. Dans ce contexte, la recherche sur les pérovskites ferroélectriques inorganiques ouvre des possibilités pour le développement de nouvelles approches pour augmenter l’efficacité, par exemple grâce à leur aptitude à séparer les charges électriques photoexcitées par le champ électrique intrinsèque (associé à leur polarisation) qui existe dans chaque maille élémentaire de ces matériaux. Pour profiter de cet avantage, un matériau doit posséder plusieurs propriétés comme la ferroélectricité, une bande interdite d’énergie relativement petite pour pouvoir absorber la lumière et une mobilité des porteurs de charges élevée. Ici, on a synthétisé et étudié des solutions solides Ba(Sn,Ti)O3, qui ont comme composants parents un ferroélectrique BaTiO3 et un paraélectrique BaSnO3. Les transitions de phases cristallographiques et la modification des états des dipôles sont caractérisées par les méthodes de diffraction et la spectroscopie diélectrique. La spectrométrie des photoélectrons X montre une corrélation entre l’évolution non-linéaire de la bande interdite pour les différentes compositions et entre l’évolution des charges locales dynamiques. Les propriétés optiques en température sont dominées par l’arrangement des dipôles dans les compositions ferroélectriques. Pour les autres compositions les propriétés sont plutôt guidées par les défauts. Il a été possible de déterminer les températures critiques des différents mécanismes à partir des caractérisations optiques. Dans ce système Ba(Sn,Ti)O3, les propriétés optiques et le photocourant sont fortement reliés à la structure locale particulière et la nature de la liaison chimique, comme nous avons mis en évidence par la spectroscopie Raman et la spectrophotométrie photoélectronique X.

There is an active search for new photovoltaic technologies with improved efficiency, since the traditional p-n junctions have either the limited efficiency or the increased cost. The research on inorganic ferroelectric perovskites offers opportunities to develop new approaches and increase photovoltaic efficiency, for instance due to capability of these materials to more efficiently separate the photoexcited charges due to the existence of an internal electric field within their unit cell. To profit from this advantage, the material must combine properties like ferroelectricity, relatively small band gap and high charge mobility. In this work, we have synthesized and studied compounds from Ba(Sn,Ti)O3 solid solution, having as end members ferroelectric BaTiO3 and paraelectric BaSnO3. Crystallographic phase transitions and changes of the polar states were characterized by diffraction techniques and dielectric spectroscopy. The non-linear evolution of the band gap for different compounds has been correlated to arise from evolution of the local dynamic charge existing in these compounds, as deduced from X-ray photoelectron spectroscopy. The temperature-dependent optical properties are dominated by polar order in ferroelectric compositions, while for the other compositions the defect-related mechanisms prevail. The critical temperatures for different mechanisms can be determined from optical characterization. In these compounds, the optical properties and photocurrent are strongly related to particularities of the local structure and chemical bonding deduced from Raman and X-ray photoelectron spectroscopies.