Électrostatique des charges dans les couches minces diélectriques et ferroélectriques

Electrostatics of charges in thin dielectric and ferroelectric films

• Auteur / Autrice : Svitlana Kondovych
• Direction : Igor A. Luk'yanchuk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 10/10/2017
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de la matière condensée (Amiens)
• Jury : Président / Présidente : Valerii Vinokur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Igor A. Luk'yanchuk, Laurent Baudry, Olena V. Gomonay, Pavlo Zubko, Anaïs Sené
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Baudry, Olena V. Gomonay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrostatique

Polarisation (électricité)

Ferroélectricité

Mots clés libres

Interaction électrostatique

Domaine

Diélectrique

Ferroelectric

Electrostatic interactions

Dielectric

Résumé

Nous explorons la variété des types d'interactions électrostatiques entre les charges dans des films minces à haute permittivité diélectrique, en analysant le cas particulier de l'interaction de Coulomb bidimensionnel logarithmique. Pour ce système, nous proposons une méthode de réglage du régime d'interaction à l'aide de l'électrode externe. Nous étudions ensuite les électrostatiques des charges étendues dans les matériaux diélectriques: des fils et des bandes chargés de manière homogène ou périodique. En s'appuyant sur les potentiels électrostatiques calculés de ces objets, nous abordons plusieurs applications possibles. Tout d'abord, nous suggérons la méthode non destructive pour mesurer la constante diélectrique des films minces déposés par un substrat par un condensateur à deux fils. Ensuite, nous étudions la formation des domaines dans des films ferroélectriques avec la polarisation dans le plan. L'apparition de la texture en domaines est causée soit par le bord chargé d'un échantillon de taille finie, soit par l'existence d'une paroi de domaine chargé dans le film. Les deux phénomènes augmentent l'énergie électrostatique de l'échantillon, ce qui stimule l'apparence des domaines pour minimiser l'énergie totale. Nous montrons que la taille équilibre du domaine dépend de la géométrie de l'échantillon et, pour les domaines dans le plan, elle viole la loi racine carrée de Kittel, étant inversement proportionnelle à l'épaisseur du film

We explore the various types of electrostatic interaction between charges in thin films with high dielectric permittivity, including the special case of the two-dimensional logarithmic Coulomb interaction, and propose a method of tuning the interaction regime using the external gate electrode. Changing the gate-to-film distance, one may alter the electrostatic screening length of the dielectric sample and control the ranges of different interaction types. We investigate next the electrostatics of extended charges in dielectric media, modeling the electrostatic potential distribution for charged wires, stripes and domain walls, with either homogeneous or periodic linear charge density. Basing on the calculated dependencies of the potential on the system geometry and material parameters, we discuss several possible applications: i ) we suggest the non-destructive method for measuring the dielectric constant of substrate deposited thin films by a two-wire capacitor; ii ) we study the domain structure formation in ferroelectric films with in-plane polarization. We show that for the in-plane striped 180˚ domain structure, induced by the discontinuity of the order parameter at the film edge, the equilibrium domain width violates the Kittel's square root law, being instead inversely proportional to the film thickness. The calculations for the in-plane domains, generated by the microscope tip or charged domain wall in the ferroelectric slab, demonstrate the conformity of the optimal domain length to the characteristic electrostatic length of the sample, and accord with the experimental data