Films minces et superréseaux à base du ferroélectrique BaTiO3 et du relaxeur BaTi0,68Zr0,32O3 : élaboration, études par diffraction de rayons X et par spectroscopie Raman : modélisation des domaines ferroélectriques dans les films minces et les superréseaux

Thin films and superlattices based on ferroelectric BaTiO3 and relaxor BaTi0. 68Zr0. 32O3 : elaboration, X ray diffraction and Raman spectroscopy studies. Ferroelectric domains modelling in thin films and superlattices

• Auteur / Autrice : François de Guerville
• Direction : Mimoun El Marssi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Amiens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces ferroélectriques

Résumé

Ces travaux portent sur des films minces et des superréseaux d'oxydes ferroélectriques sans plomb, étudiés à la fois de manière expérimentale (élaboration/caractérisation) et par modélisation. La partie expérimentale a consisté à élaborer des films minces et des superréseaux à base du ferroélectrique BaTiO3 et du relaxeur BaTi0,68Zr0,32O3 par ablation laser sur substrat de MgO tamponné par La0,5Sr0,5CoO3, puis à étudier ces échantillons par diffraction de rayons X et par spectroscopie Raman afin de déterminer leurs structures, d'estimer leurs états de contraintes et de mettre en évidence les transitions de phase structurales. En superréseau, les couches de BaTiO3 présentent une structure ferroélectrique quadratique en domaines a1/a2 tandis que les couches de BaTi0,68Zr0,32O3 sont déformées perpendiculairement au plan du substrat. Les contraintes semblent se relaxer par l'apparition de dislocations au-delà d'une période critique de 260 Å. Contre toute attente, les spectres Raman des superréseaux présentent des raies moins larges que ceux des films. Nous avons attribué ce phénomène à une diminution du désordre de l'ion Ti4+ sur le site B de la structure pérovskite de BaTiO3. Les études en température semblent montrer l'absence de transition de phase des couches de BaTiO3 en superréseau. Par ailleurs, nous avons simulé le comportement thermodynamique et électrique des domaines ferroélectriques d'un film mince et d'un superréseau ferroélectrique/paraélectrique. Pour cela, nous avons modélisé le profil de la polarisation en tenant compte des effets d'interface et de taille finie, pour des températures allant de 0 K jusqu'au delà de la température de transition de phase. Nous avons montré que les propriétés des films d'épaisseur nanométrique sont substantiellement modifiées par le profil graduel de la polarisation dans ces domaines ; l'évolution en température de la constante diélectrique rend bien compte du comportement expérimental observé autour de la transition de phase.

This work deals with lead-free ferroelectric oxide thin films and superlattices, studied both experimentally (elaboration/characterization) and by modelling. In the experimental part, we have elaborated thin films and superlattices based on ferroelectric BaTiO3 and relaxor BaTi0. 68Zr0. 32O3 by pulsed laser deposition on MgO substrate buffered by La0. 5Sr0. 5CoO3. These samples were then studied by X ray diffraction and Raman spectroscopy in order to determine their structure, to estimate the stress therein and to evidence structural phase transitions. In superlattice, BaTiO3 layers show a quadratic ferroelectric structure with a1/a2 domains whereas BaTi0. 68Zr0. 32O3 layers are perpendicularly deformed to substrate plane. Dislocations appearance beyond a 260 Å critical period seems to relax these stresses. Against all expectations, superlattices Raman spectra have thinner lines than in films. We have attributed this phenomenon to a Ti4+ ion disorder decrease on the BaTiO3 perovskite structure B site. Temperature studies seem to show phase transition absence for BaTiO3 layers in superlattice. In addition, we have simulated thermodynamic and electric behaviour of ferroelectric domains in thin film and in ferroelectric/paraelectric superlattice. For this, we have modelled polarization profile taking into account finite size and interface effects, from 0 Kelvin to beyond phase transition temperature. We have shown nanometric thickness films properties are substantially modified by gradual polarization profile in these domains ; dielectric constant temperature evolution suits experimental behaviour observed around phase transition.