Propriétés photovoltaïques commutables dans des couches minces ferroélectriques de PZT

par Komalika Rani

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Philippe Lecoeur.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    Intégrer des oxydes fonctionnels dans des couches minces épitaxiées sur silicium est un véritable défi afin de développer des microdispositifs électroniques innovants basés sur la variété des propriétés physiques des oxydes. Parmi les matériaux oxydes, les ferroélectriques sont particulièrement prometteurs et présentent un grand nombre de propriétés, telles que la polarisation ferroélectrique, la piézoélectricité ou l'absorption optique, ainsi que des couplages possibles entre leurs fonctionnalités. Les films minces ferroélectriques épitaxiés sont actuellement étudiés pour leur potentiel dans les applications photovoltaïques (PV), principalement en raison de leur grande tension en circuit ouvert et de leur effet photovoltaïque commutable. En effet, dans un film ferroélectrique, le signe du courant photovoltaïque peut être contrôlé par le sens de la polarisation ferroélectrique, permettant en théorie d'atteindre une commutabilité à 100% du photocourant avec la polarisation, ce qui est d'un grand intérêt pour des applications potentielles, comme mémoires photoferroélectriques. Cependant, la commutabilité n'est pas toujours réalisable dans les films ferroélectriques intégrés entre les électrodes, en raison de paramètres extrinsèques, tels que la nature de l'interface électrode-ferroélectrique (barrière de Schottky) ou la quantité de défauts chargés non mobiles. De plus, le photocourant commutable peut également être affecté par la migration de défauts chargés, tels que les lacunes d'oxygène, sous les champs électriques appliqués. Ainsi, orienter l'impact des défauts, des électrodes et de la polarisation sur les propriétés PV n'est pas une tâche facile. Le travail de thèse porte sur le comportement de commutation des propriétés photovoltaïques de ces couches minces d'oxyde ferroélectrique et la relation quantitative entre photocourant et polarisation. Aussi, le mécanisme PV derrière. Ingénierie des matériaux pour étudier différents matériaux, en particulier les électrodes supérieures pour affecter cette accordabilité. La thèse sera menée dans l'équipe OXIDE du Département Matériaux du Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N). Le doctorant bénéficiera d'une large expertise complémentaire en élaboration et structuration de ferroélectriques, intégration d'oxydes épitaxiaux dans des microdispositifs sur silicium, caractérisation multiphysique des matériaux (structural, optique, électrique). L'étudiant sera en charge de chaque étape du projet : de la croissance épitaxiale de couches minces d'oxydes par dépôt laser pulsé, leur structuration en microdispositifs par des procédés en salle blanche jusqu'à leurs caractérisations opto-électro. elle acquerra ainsi une grande expertise dans la fabrication et la caractérisation des matériaux grâce à l'utilisation de plusieurs techniques expérimentales.

  • Titre traduit

    Switchable photovoltaic properties in ferroelectric PZT thin films


  • Résumé

    Integrating functional oxides in epitaxial thin films on silicon is a real challenge in order to develop innovative electronic microdevices based on the variety of oxide's physical properties. Among oxide materials, ferroelectrics are particularly promising and exhibit a large number of properties, such as ferroelectric polarization, piezoelectricity, or optical absorption, as well as possible couplings between their functionalities. Epitaxial ferroelectric thin films are currently investigated for their potential in photovoltaic (PV) applications, mainly because of their large open-circuit voltage and switchable photovoltaic effect. Indeed, in a ferroelectric film, the sign of the photovoltaic current can be controlled by the direction of the ferroelectric polarization, allowing in theory to achieve a 100% switchability of the photocurrent with the polarization, which is of great interest for potential applications, as photoferroelectric memories. However, switchability is not always achievable in integrated ferroelectric films between electrodes, because of extrinsic parameters, such as the nature of the electrode-ferroelectric interface (Schottky barrier) or the amount of non-mobile charged defects. In addition, switchable photocurrent can also be affected by the migration of charged defects, such as oxygen vacancies, under applied electric fields. So, direangling the impact of defects, electrodes, and polarization on the PV properties is not an easy task. The thesis work focuses on the switchability behavior of photovoltaic properties of these ferroelectric oxide thin films and the quantitative relationship between photocurrent and polarization. Also, the PV mechanism behind it. Material engineering to investigate different materials specifically top electrodes to affect this tunability. The thesis will be conducted in the OXIDE team in the Materials Department of the Center of Nanoscience and Nanotechnology (C2N). The Ph.D. student will benefit from large complementary expertise in elaboration and structuring of ferroelectrics, integration of epitaxial oxides in microdevices on silicon, multiphysics characterization of materials (structural, optical, electrical). The student will be in charge of each step of the project: from the epitaxial growth of oxide thin films by pulsed laser deposition, their structuring in microdevices by cleanroom processes to their Opto-electro characterizations. she will thus gain large expertise in materials fabrication and characterization thanks to the use of several experimental techniques.