Academic literature on the topic 'Couches minces ferroélectriques – Propriétés électroniques'

L’objectif du présent travail est de concevoir, réaliser et optimiser des matériaux accordables pour des applications en électronique à hautes fréquences. Le composant le plus simple permettant de mettre à profit cette étude est le condensateur accordable avec une tension continue qui peut être ensuite intégrée dans des dispositifs microondes accordables ou reconfigurables. Le condensteur peut être en couches minces ou en céramique. Pour réaliser de tels composants, on doit utiliser des matériaux présentant de faible pertes diélectriques, une permitivité élevée, une accordabilité importante et une bonne stabilité de la fréquence de résonance avec la température. Pour cela, nous avons mené une étude sur des matériaux ferroélectriques classiques et relaxeurs afin, d’une part d’optimiser les conditions de synthèse, et d’autre part d’améliorer leurs propriétés électriques pour des applications radiofréquences et microondes. Nous avons étudié des matériaux ferroélectriques de phase pérovskite. Il s’agit du titane de baryum et de strontium (BST) qui est un ferroélectrique classique, du titane de baryum et de zircone (BZT) qui selon sa composition peut être classique ou relaxeur et des dérivées du BZT obtenues par substitution au niveau des sites pérovskites a et b respectivement par du bismuth et par du zinc-niobium. Nous avons aussi synthétisé et caractérisé des matériaux de phase pyrochlore de formule Bi1. 5ZnNb1. 5O7. Ces études vont de l’élaboration de tous ces matériaux sous forme de céramiques et de couches minces, suivies de caractérisations physico-chimiques, structurales, diélectriques et ferroélectriques dans une large gamme de fréquences et de températures
The main objective of this work is to design, implement and optimize tunable materials for electronic applications at high frequencies. The easiest component to build on this study is the tunable capacitor with a voltage which can then be integrated into microwave devices such as tunable or reconfigurable resonators, filters, antennas. . . Etc. The capacitor can be either thin film or ceramic-based. To produce such components we must use materials which must have low dielectric loss, high dielectric permittivity, high tunability and stability of the resonant frequency of the capacitor with the temperature. For this, we conducted a detailed study of classical and relaxor ferroelectric materials in order, firstly to optimize the synthesis conditions, and secondly to improve their electrical properties for radiofrequencies and microwave applications. We have studied ferroelectric materials with perovskite phase, namely barium titanate strontium (BST) which is a classical ferroelectric and barium zirconium (BZT) which according to its composition can be a classical ferroelectric or relaxor ferroelectric and the derivatives of BaZr0. 1Ti0. 9O3 obtained by substituting bismuth and zinc-niobium respectively at A and B sites of the perovskite phase. We also synthesized and characterized the pyrochlore phase materials of bismuth zinc niobate, with composition of Bi1. 5ZnNb1. 5O7. The studies we have done range from the development of these materials in the form of ceramics and thin films, followed by characterizations to determine their physico-chemical properties, structural dielectric and ferroelectric in a range wide of frequencies and temperature

Ce manuscrit est consacré à l’analyse théorique et expérimentale d’oxydes Ln2Ti2O7 (Ln = La, Nd, Sm, Gd) et BiFeO3.Les propriétés physiques de La2Ti2O7 et Nd2Ti2O7 ont été investiguées au moyen de calculs ab initio, confirmant ainsi leur ferroélectricité. D’autres oxydes de la famille Ln2Ti2O7, Sm2Ti2O7 et Gd2Ti2O7, ont ensuite été étudiés selon les mêmes méthodes théoriques. Nos calculs ont révélé une meilleure amplitude de polarisation pour ces composés par rapport au La2Ti2O7 et au Nd2Ti2O7. La deuxième partie de ce travail est consacrée aux propriétés structurales, électroniques et ferroélectriques du BiFeO3. L’évolution de ses propriétés lorsqu’il est soumis à une contrainte épitaxiale ont été investiguées au moyen de calculs ab-initio et de mesures en microscopie à champ proche réalisées sur des couches minces déposées sur un substrat de SrTiO3(001). Nos résultats mettent en évidence une modification de la structure interne du matériau sous effet de contrainte, qui se traduit par une réorientation progressive de la polarisation spontanée suivant la direction [001]. Notre étude s’est ensuite tournée vers l’élaboration et l’analyse des propriétés structurales et ferroélectriques de superréseaux (SrTiO3)n(BiFeO3)m. Nos calculs ont mis en évidence que la contrainte épitaxiale imposée au superréseau offrait un contrôle accru des propriétés du BiFeO3 par rapport à son comportement lorsqu’il est déposé seul en couches minces. Les analyses en microscopie à champ proche ont montré une réduction de la tension coercitive de tels films par rapport à celle mesurée sur des bicouches SrTiO3/BiFeO3 ou sur une couche mince de BiFeO3
In this work, first-principles calculations and experimental measurements have been done in order to investiguate the structural, electroniq and ferroelectric properties of Ln2Ti2O7 (Ln = La, Nd, Sm, Gd) and BiFeO3 oxydes. Calculations on La2Ti2O7 and Nd2Ti2O7 confirmed their ferroelectricity. Other oxydes belonging to the Ln2Ti2O7 family have also been investigated. The results showed an enhancement of the spontaneous polarization within these compounds compared to that of La2Ti2O7 and Nd2Ti2O7. The second part of this work is related to the structural and ferroelectric properties of bismuth ferrite BiFeO3. The evolution of its properties when undergoing an epitaxial strain have been investigated by ab initio calculations and piezoresponse force microscopy measurements on thin films deposited on a (001)-SrTiO3 substrate. Our results showed a modification of the inner structure of BiFeO3 under stain, leading to a continuous reorientation of the spontaneous polarization vector towards [001]. The third part of our study consists in the computational design and synthesis of (SrTiO3)n(BiFeO3)m superlattices. Our calculations showed that epitaxial strain imposed to the superlattice brings a further control of physical properties of BiFeO3 as compared with its behaviour when deposited alone in a thin film. PFM analysis showed a decrease of the coercive field for STO/LNO/(STO)n(BFO)m superlattices as compared with those measured on STO/BFO bi-layers and on BiFeO3 thin films

Cette thèse concerne la fabrication de couches minces à très haute constante diélectrique sur substrat Si/Pt et l’étude des corrélations entre leurs propriétés structurales et électriques. Le travail porte sur la famille de composés Pb1-3x/2LaxZryTi1-yO3 (PLZT) dont les caractéristiques diélectriques sont favorables à d’éventuelles applications (condensateurs). Le choix du substrat s’est porté sur Si/SiO2/TiO2/Pt(111). L’optimisation de la procédure de dépôt a constitué une première étape dans le travail de thèse. Les films possèdent une orientation cristallographique <111> privilégiée à condition de déposer au préalable une fine couche d’adaptation de TiO2. L’influence des paramètres de dépôts, de l’épaisseur et de l’orientation des films a été analysée sur les caractéristiques électriques et microstructurales des films. La pulvérisation cathodique multicible autorisant une grande souplesse dans le choix de la composition du PLZT, une étude complète des variations des rapports Zr/Ti et La/Pb a été menée, afin d’atteindre les compositions où les constantes diélectriques sont les plus élevées. Des permittivités de 2100 ainsi que des densités de capacité de 72nF/mm² ont été obtenues pour la composition PLZT 22/28/72. A partir de ces résultats, un diagramme de phase a été partiellement établi. Enfin, des dépôts de PLZT sur des substrats monocristallins LaAlO3/Pt et MgO/Pt montrent que les propriétés du matériau peuvent être fortement modifiées. Suivant la composition, des polarisations de 47µC/cm² ou bien des permittivités de 3300 ont ainsi été mesurées. Ces résultats, comparés aux films sur Si/Pt, sont expliqués par une configuration différente des domaines ferroélectriques
This thesis deals with the elaboration of <111>-oriented PLZT thin films and with the characterizations of their structural and electrical properties. Materials such as (Pb,La) (Zr,Ti)O3 (PLZT) are also attractive because the modulation of the ferroelectric properties may be achieved by changing the amount of La dopant or by varying the Zr/Ti ratio. Thin films were deposited on Si-based substrate covered with <111> Pt. An ultra thin TiO2 layer is deposited prior to PLZT in order to obtain predominant <111> orientation. In a first step, experimental process was optimized by studying the influence of key deposition parameters, film thickness and orientation on the electrical and microstructural properties of these films. A RF multi-target sputtering technique was used and allowed the study of the whole PLZT phase diagram. The main objective is to reach high dielectric permittivity. Dielectric constant of 2100 and capacitance density of 72nF/mm² were obtained with the composition PLZT 22/28/72. To investigate the role of the substrate, PLZT films were also deposited on monocristalline-based substrates (LaAlO3/Pt and MgO/Pt). Strong modifications of thin film properties were obtained, polarisation of 47µC/cm² and permittivity of 3300 were measured depending of the chosen composition. Compared to Si/Pt substrate, such behaviour may be explained by a different configuration of the ferroelectric domain related to the epitaxial strain

Le développement de nouveaux matériaux est essentiel dans la réalisation de capteurs de petites dimensions et pour les composants micro-nano-optoélectroniques. Les matériaux à base d'oxydes en sont de bons candidats. Ce travail de thèse a concerné la synthèse de matériaux ferroélectriques tels le BaTiO3 (BTO) et le Ba1-xSrxTiO3 (BST), associés à des électrodes inférieures et supérieures en oxyde d'indium-d'étain (ITO), tous déposés par pulvérisation cathodique RF (radio fréquence). Nous nous sommes concentrés sur la relation existante entre les propriétés optiques et électro-optiques de guide d'ondes et l'orientation cristalline, la couche d'interface ainsi que la nature du substrat. Après la caractérisation des propriétés structurales, nous avons évalué les propriétés optiques de ces matériaux par la technique du couplage par prisme pour une gamme de longueurs d'ondes de l'UV au proche IR. Les résultats ont montré un bon confinement de la lumière dans le film, avec des pertes planaires de propagation optique de l'ordre de 3 dB/cm aux longueurs d'onde télécoms, résultats à l'état de l'art pour ces matériaux.Cette méthode de couplage optique a permis de mettre en évidence les propriétés électro-optiques du BTO et du BST dans cette même gamme de longueurs d'onde et pour les deux polarisations optiques, à partir de la variation des spectres de réflectivité. Si le BTO a montré un coefficient r33 de 23 pm/V aux longueurs d'onde télécoms, nous avons mesuré autour de 19 pm/V pour le BST(70/30).

Au cours de ces travaux de thèse, la mésostructure et le comportement électrique/photoélectrique de mélanges de polymères semi-conducteur et ferroélectrique en films minces ont été étudiés pour des applications en électronique organique. Les propriétés de semi-conduction du P3HT et de ferroélectricité du P(VDF-TrFe) ont été associées au sein d’une même couche active. Il a été observé que le développement d’une morphologie de la couche active en film mince présentant des domaines bi-continus permet de conserver les propriétés intrinsèques des deux matériaux. Des dispositifs de type stockage d’informations ont été réalisés à partir de la couche active composée de 10 % P3HT – 90 % P(VDF-TrFe) et la modulation des propriétés d’injection des dispositifs par le champ ferroélectrique a été étudiée. Des cellules photovoltaïques ont également été réalisées à partir de cette couche active qui présente des propriétés optoélectroniques qui varient selon l’état de polarisation du P(VDF-TrFe). L’influence du champ ferroélectrique sur l’efficacité de la photogénération de charges du P3HT et la modulation du photocourant par l’état de polarisation du P(VDF-TrFe) ont ainsi été déterminées
In this thesis, the mesostructure and the electric/photoelectric behavior of ferroelectric/semi-conductor polymer blends in thin films have been studied for organic electronic applications. The semi-conductivity property of P3HT was associated with the ferroelectricity of P(VDF-TrFe) in one active layer. It has been observed that the intrinsic properties of both materials remained with the bi-continous morphology of these thin films. Memory devices were fabricated based on the 10 % P3HT – 90 % P(VDF-TrFe) active layer and the modulation of the injection properties by the ferroelectric field has been studied. We have also demonstrated that the P3HT/P(VDF-TrFe) thin films exhibit optoelectronic properties which depend on the polarization state of P(VDF-TrFe). The influence of the ferroelectric field on the photogeneration of charges of P3HT and the variation of the photocurrent with the polarization state of P(VDF-TrFe) were determined

Des bicouches oxyde ferroélectrique / oxyde conducteur, Bi3. 25La0. 75Ti3O12 (BLT) / Sr4Ru2O9 / Si[100] ont été élaborées par ablation laser et caractérisées du point de vue structural (microscopies électroniques, diffraction de rayons X), ainsi que des propriétés électriques (spectroscopie d’impédance et Van der Pauw). L’obtention de Sr4Ru2O9 sous forme de film constitue une première. Nous avons montré que Sr4Ru2O9 est un oxyde conducteur à haute température, alors qu’il présente un comportement semi conducteur à basse température. Concernant les couches de BLT, la polarisation est en dehors du plan pour les couches minces et parallèle au plan dans les couches épaisses qui présentent une orientation préférentielle (00). Une couche intermédiaire à base de SrTiO3 a été mise en évidence par microscopie électronique entre le substrat oxyde Sr4Ru2O9 et la couche de BLT. Elle se forme au détriment du matériau ferroélectrique
Bilayers ferroelectric oxide / conductive oxide, Bi3. 25La0. 75Ti3O12 (BLT) / Sr4Ru2O9 / Si[100] were elaborated by pulsed laser deposition. Structural characterizations were done by electron microscopy and X-ray diffraction; electrical properties were measured by impedance spectroscopy and Van der Pauw’s method. It is the first time that Sr4Ru2O9 is elaborated as thin films. We have shown that Sr4Ru2O9 is a conductive oxide at high temperature and has a semiconductor behavior at low temperature. The BLT thin films have polarization out of the substrate plane. Thick films of the BLT have polarization in the plane, which corresponds to a preferential orientation (00l). An intermediate layer, based on SrTiO3, between the substrate oxide Sr4Ru2O9 and the layer of BLT, was highlighted by electron microscopy. This phase grows at the cost of the ferroelectric material

Ce travail de thèse a consisté à approfondir la compréhension des propriétés optoélectroniques de films minces ferroélectriques prometteurs à base de Bi2FeCrO6 (BFCO). Pour ce faire, des caractérisations locales ont été réalisées conjointement avec des caractérisations macroscopiques. Une attention particulière a été portée à l’influence des lacunes d’oxygènes sur les propriétés photovoltaïques ferroélectriques. Les films minces de BFCO apparaissent systématiquement comme des semi-conducteurs de type « p », en raison des lacunes de Bi, Fe et Cr. Ces films forment alors une jonction p-n avec un substrat de Nb:SrTiO3, et une jonction Schottky à faible barrière avec un substrat de La2/3Sr1/3MnO3. Pour une géométrie d’électrodes hors plan, le comportement photovoltaïque de ces échantillons semble dominé par leur jonction respective. De plus, la direction de la polarisation ferroélectrique modifierait la structure électronique à l’interface, favorisant une plus grande conductivité et une génération de courant photovoltaïque plus importante pour une polarisation « up ». Par ailleurs, l’introduction de niveaux électroniques donneurs dans le band-gap par les lacunes d’oxygènes diminuerait fortement le caractère « p » des couches de BFCO, réduisant significativement la conductivité. Cela augmenterait également considérablement le taux de recombinaison des porteurs de charges générés par effet photovoltaïque et réduirait grandement leur mobilité. Une différence de conductivité et de courant photovoltaïque pouvant atteindre plusieurs ordres de grandeur a ainsi été observée pour une plus faible concentration en lacunes d’oxygènes. La direction de la polarisation ferroélectrique et la concentration en lacunes d’oxygènes apparaissent comme deux paramètres fondamentaux régissant les propriétés optoélectroniques des couches minces de BFCO
The aim of this thesis was to gain a better understanding of the optoelectronic properties of promising Bi2FeCrO6 (BFCO)-based ferroelectric thin films. To achieve this, local characterizations were carried out in conjunction with macroscopic characterizations. Particular attention was paid to the influence of oxygen vacancies on photovoltaic and ferroelectric properties.BFCO thin films systematically appear as p-type semiconductors, due to Bi, Fe and Cr vacancies, forming a pn junction with a Nb:SrTiO3 substrate and a low-barrier Schottky junction with a La2/3Sr1/3MnO3 substrate. For an out-of-plane electrode geometry, the photovoltaic behavior of these samples appears to be dominated by their respective junction. In addition, the direction of the ferroelectric polarization would modify the electronic structure at the interface, favouring a greater conductivity and a higher photovoltaic current generation for an “up” polarization state. In addition, the introduction of donor electronic levels into the band-gap by the oxygen vacancies would greatly reduce the “p”-type character of the BFCO layers, significantly reducing conductivity. This would also considerably increase the rate of recombination of chare carriers generated by the photovoltaic effect and greatly reduce their mobility. A difference in conductivity and photovoltaic current of up to several orders of magnitude was observed for a lower concentration of oxygen vacancies.The direction of the ferroelectric polarization and the concentration of oxygen vacancies appear to be two fundamental parameters governing the optoelectronic properties of BFCO thin films

Ce travail expose un modèle permettant de décrire les propriétés ferroélectriques des films minces. Les résultats obtenus sont appliqués à des films de titano-zirconate de plomb (PZT). Le modèle est basé sur la théorie de Landau et utilise la technique de résolution par différences finies. Les différentes hypothèses étudiées sont relatives à l'écriture de l'équation de Poisson. Elles supposent d'une part la prise en compte de charge de polarisation et d'autre part une permittivité diélectrique non uniforme dans le film. Associée à des conditions aux limites judicieuses de la polarisation au niveau des électrodes, cette dernière hypothèse permet alors de simuler l'influence de l'épaisseur des films sur les propriétés ferroélectriques. Une approche bi-dimensionnelle, consistant à prendre en compte une électrode de dimension limitée (c'est-à-dire ne couvrant pas la totalité de la surface du film) a alors été entreprise
This work describes a numerical model that is used to explain ferroelectric thin films properties, and particularly PZT thin films ones. Our model is based on the Landau theory and uses the technique of finite differences. Many options are studied, each one based on the way the Poisson's equation is written. One of them supposed the presence of polarization's charges, and another supposed that the permittivity is not uniform in the film. With this last hypothesis, and if we take good limit's conditions of the polarization on the electrodes interfaces, the model can explain the influence of thickness's films on ferroelectric properties. A two-dimensional approach, which consists in limiting the electrode size by considering that the electrode does not cover the whole film's surface, has been carried out

Ces travaux de thèse ont pour but d'étudier les propriétés électroniques de cellules photovoltaïques à base de couches minces de CZTSSe. L'objectif principal est d'identifier les défauts cristallographiques et de déterminer leur influence sur le fonctionnement des cellules solaires afin de mettre en oeuvre des stratégies de synthèse du CZTSSe pour le rendre compétitif par rapport aux autres matériaux en couches minces du photovoltaïque. La première phase du travail a consisté à élaborer le matériau et à l?intégrer dans une cellule solaire. Le CZTSSe est synthétisé par un procédé en deux étapes: le dépôt des précurseurs sous vide suivi d'un recuit sous atmosphère de sélénium. La deuxième phase du travail a concerné la caractérisation électrique des cellules sous obscurité. Pour cela des mesures de capacité en fonction de la tension et des mesures d'admittance sont effectuées en température. Les interprétations brutes des mesures sont menées en assimilant la cellule à une jonction n+p. Ce modèle s'avère insuffisant pour expliquer complètement les mesures expérimentales, ce qui nous a conduit, dans une troisième phase à une analyse plus détaillée. Pour cela, un calcul de l'admittance à partir des équations de base des semi-conducteurs a été développé. De cette manière, il est possible de sélectionner les contributions au signal qui sont incorporées au modèle. Initialement seule la contribution des défauts est intégrée. La prise en compte de fluctuations de potentiel améliore l'ajustement entre les données expérimentales et calculées. Toutefois une troisième composante doit être incluse pour rendre compte de la réponse diélectrique du CZTSSe. Cette composante à l'origine d'une variation en puissance de la conductivité avec la fréquence est caractéristique d'un mécanisme de hopping. L'incorporation de cette contribution dans la modélisation de l'admittance met en évidence que la conductivité dans le CZTSSe est due à un transport par états localisés, expliquant ainsi sa faible valeur
This PhD work aims at studying the electronic properties of thin films CZTSSe solar cells. The final purpose is to identify crystallographic defects and determine their influence on the solar cells behavior in order to improve the efficiency and make CZTSSe competitive with other thin film technologies. The first part of the work deals with the fabrication of the CZTSSe thin films and solar cells. CZTSSe is synthetized using a two step process : vacuum deposition of precursors followed by an annealing under selenium atmosphere. The second part of the PhD work is the electrical characterization of the cells in the dark. Capacitance versus voltage measurements and admittance measurements are carried out at different temperatures. The results cannot be fully explained by usual models. As a consequence, further analysis has been conducted in a third part. Admittance has been calculated based on the classical equations that describe charge carriers in semi-conductor. The first interpretation only takes into account the contribution of defects. When the influence of potential fluctuations is added to the model, the adjustment between experimental measurements and calculated data is improved. However, a third component has to be included to fit the CZTSSe dielectric response. This component, causing a power variation of the conductivity with frequency is related to hopping mechanism. Adding this contribution to the admittance calculation allows to show that the CZTSSe conductivity is dominated by a localized states transport and can explain the low conductivity value

Ce travail présente l'étude les propriétés vibrationnelles et électroniques de couches ultra-minces de MoS2. Les échantillons sont fabriqués par la technique de collage anodique sur un substrat de verre. Différentes techniques de microscopie en champ proche ont été effectuées pour la caractérisation des couches ultra-minces de MoS2. La spectroscopie Raman nous a permis d'étudier les propriétés vibrationnelles du MoS2. Des calculs théoriques (DFT) ont été développés pour l'interprétation des résultats. Nous présentons des mesures des modes de vibration simple phonon et leur intérêt à la détermination de nombre de couches, nous avons également mis en évidence les modes de vibration multiphonon ainsi que les modes de résonance Raman. Nous nous sommes également intéressés à l'étude des modes de vibration à très faible fréquence de vibration. Les effets d'anharmonicité du mode de compression se sont montrés importants dans les nanocouches ce qui pourra limiter le transport thermique dans les nanostructures. L'étude des propriétés de transport a permis de mettre évidence la transition métal/isolant et d'étudier les effets de la correction quantique à la conductivité électronique
Two-dimensional (2D) materials are a new class of materials with interesting physical properties and applications such as nanoelectronics and photonics. In this work, we have investigated the vibrational and electronic properties of mono and few layer MoS2. Nano-layers were fabricated by anodic bonding technique on glass substrate providing high quality samples. Different characterizations were carried out using near field scanning microscopy under ambient conditions. We also have measured phonons in single layer, few layers and bulk MoS2 using single and multiple phonon Raman scattering and off and on resonance conditions. In addition, we have detailed primary and secondary shearing and compression modes in MoS2. We found out that compression modes represent an overriding optical phonon contribution to the intrinsic thermal conductivity of MoS2 flakes, a crucial aspect of any use of these in future nano or microelectronic devices. Raman measurements were therefore supported by the DFT calculations. Transport measurements brighten up the high levels of doping achieved in anodic bonding devices, and enable the observation of a metal/insulator transition. Magnetoresistance measurements provide evidence of the weak localization effect in MoS2 nanolayers