Nanostructures d'oxydes multiferroïques : états multi-résistances

Multiferroic oxide nanostructures : multi-resistance states

• Auteur / Autrice : Anton Khanas
• Direction : Nathalie Jedrecy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 30/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Bibes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brahim Dkhil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nick Barrett, Maximilien Cazayous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux ferromagnétiques

Nanostructures

Oxydes

Memristors

Matériaux multiferroïques

Mots clés libres

Ferroélectrique

Ferromagnétique

Oxydes

Commutation résistive

Memristor

Ferroelectric

Ferromagnetic

Oxides

Resistive switching

Memristor

Résumé

Les nouveaux défis de la microélectronique depuis déjà deux décennies nécessitent le développement de matériaux et dispositifs bien au-delà des exigences de compatibilité avec la technologie silicium. Parmi ces défis figurent la miniaturisation des éléments de circuit intégrés et l’intégration 3D, pour surmonter le goulot d’étranglement de von Neumann, ainsi que l’élaboration de dispositifs neuromorphiques à base de memristors. Les fonctionnalités supplémentaires, offertes par la mise en œuvre de matériaux ferroélectriques et magnétiques, permettraient de réaliser des progrès significatifs dans tous les domaines évoqués. Dans cette thèse, nous étudions l’hétérostructure tri-couche multiferroïque (c’est-à-dire ferroélectrique et ferromagnétique simultanément) La0.7Sr0.3MnO3 / BaTiO3 / La0.7Sr0.3MnO3. Nous étudions en détail les propriétés structurales, chimiques et magnétiques des couches minces fabriquées ainsi que leurs interfaces pour établir les fondements nécessaires à la compréhension des expériences de transport électronique sur les dispositifs finaux. Dans les échantillons avec une barrière épaisse de BaTiO3, nous observons une commutation de résistance stochastique et une magnéto- résistance à champ faible plutôt complexe. Dans les dispositifs à barrière mince, nous démontrons la commutation de résistance quasi-analogique (sur de multiples niveaux de résistance) et mettons en évidence une forte dynamique temporelle, liée à la polarisation et aux lacunes d’oxygène. Le comportement de notre memristor s’avère reproduire idéalement celui des synapses biologiques, en particulier concernant les effets de second ordre intervenant dans la transmission des impulsions neuronales et qui proviennent de la dynamique transitoire d’ions Ca2+. Via la mise en place d’expériences adaptées, nous mettons en exergue plusieurs réponses synaptiques de second ordre dans notre memristor multiferroïque. Nos résultats suggèrent un nouveau concept physique de memristor de second ordre pour l’émulation bioréaliste des synapses et constituent une première étape dans la mise en œuvre matérielle de réseaux de neurones artificiels.

New challenges in microelectronics already for two decades have been requiring the development in materials and device concepts way beyond conventional Si scaling. Among these challenges are integral circuit elements’ miniaturization and 3D integration, overcoming the von Neumann bottleneck and elaboration of memristor-based neuromorphic hardware. Additional functionalities, offered with implementation of ferroelectric and magnetic materials, would allow to achieve significant progress in all the mentioned fields. In this thesis, we study the tri-layer multiferroic (i.e., ferroelectric and ferromagnetic simultaneously) heterostructures La0.7Sr0.3MnO3 / BaTiO3 / La0.7Sr0.3MnO3. We thoroughly investigate the structural, chemical and magnetic properties of the fabricated thin layers and interfaces between them to establish the foundation for further electronic transport experiments. In thick BaTiO3 barrier samples, we observe stochastic resistance switching and a rather complex low-field magnetoresistance. In thin barrier devices, we demonstrate the multilevel quasi-analog resistance switching that shows a strong temporal dynamic, in relation with polarization and oxygen vacancies. This behavior is found to be emulating very accurately that of the biological synapses, with the emphasis on the so called second order effects, which are originating from the transient dynamics of Ca2+ ions, mediating the neural pulse transmission. Via appropriate experiments, we demonstrate the operation of several second order synaptic functions in our multiferroic memristors. Our findings suggest the new physical concept of second order memristor for biorealistic emulation of synapses and make a step toward the hardware implementation of artificial neural networks.