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Synthèse et caractérisation de couches minces épitaxiées de matériaux multiferroiques.

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Nechache, Riad (2009). Synthèse et caractérisation de couches minces épitaxiées de matériaux multiferroiques. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 185 p.

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Résumé

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Ce travail de thèse avait pour objectif premier la synthèse du matériau Bi2FeCr06(BFCO) sous forme de couches minces monophasées. Le BFCO n'avait jamais été fabriqué et le synthétiser était un défi intéressant en soi que nous avons essayé de relever avec succès. La croissance de films minces de BFCO a été réalisée par l'ablation laser (PLD). Cette méthode de dépôt permet d'avoir un contrôle sur la composition chimique et la structure des matériaux, et a connu des succès retentissants particulièrement pour les oxydes complexes. L'élaboration de ce matériau étant basée sur la fabrication de couches minces de BiFe03 (BFO) - le matériau multiferroïque le plus étudié à ce jour - le point de départ de l'étude sur le BFCO s'est faite logiquement en se référant à nos travaux précédent sur le BFO, ainsi qu'à la littérature récente abondante à ce sujet. Nous nous sommes donc appuyé sur les conditions optimales de la croissance épitaxiale par PLD de couches de BFO obtenues dans notre groupe, que nous avons utilisé pour guider nos études préliminaires sur la synthèse de couches minces de BFCO. Ensuite, ces conditions ont été améliorées et affinées au fur et à mesure que le projet avançait. Notre second but - tout aussi ambitieux - était de comprendre l'origine des différences entre le BFO et le BFCO, ainsi que les raisons pour lesquelles ce dernier est tellement supérieur au BFO - notamment il possède une magnétisation tout à fait appréciable à température ambiante. Afin de réaliser cet objectif, nos efforts ont été axés au départ sur l'identification de la structure cristalline réelle de nos couches minces de BFCO. Une croissance épitaxiale sur des substrats de SrTi03 (STO) a été privilégiée permettant ainsi une microstructure des couches mieux contrôlée. Dans notre cas, la croissance épitaxiale était aussi plus intéressante pour une étude fondamentale des propriétés du BFCO. La morphologie de leur surface et le contrôle de leur orientation ainsi que leurs propriétés fonctionnelles ont été systématiquement étudiées. Par conséquent, une grande partie de 1' étude a été consacrée au développement de l'hétéroépitaxie de couches minces du BFCO. Cette étude nous a révélé que des couches minces épitaxiées de BFCO monophasé sont obtenues dans une fenêtre de paramètres de déposition très étroite. Ceci est dû essentiellement à la variation de composition en bismuth, un élément volatile et donc sensible aux conditions de croissance. Nous avons néanmoins déterminé avec précision, à l'intérieur de cette fenêtre, les conditions optimales de dépôt pour les couches minces épitaxiées de BFCO. En dehors de cette fenêtre de paramètres de déposition, des phases secondaires se forment et perturbent sérieusement les propriétés fonctionnelles (électriques, ferroélectriques et magnétiques) du matériau. L'optimisation de la croissance des couches et l'analyse détaillée de leur structure cristalline nous ont permis de mettre en exergue la relation directe existante entre le degré de l'ordre cationique Fe/Cr dans les couches de BFCO et leurs propriétés magnétiques. Cet ordre cationique a été essentiellement mis en évidence par des techniques basées sur la diffraction des rayons X. Nous avons aussi montré que cet ordre cationique est sensible aux paramètres de croissance, et qu'il dépend de l'épaisseur des couches. Nous avons également établi avec certitude que les cations de fer et ceux de chrome ont une valence 3 + dans nos couches de BFCO et que la compétition entre des interactions de superéchange antiferromagnétique et ferromagnétique entre les cations magnétiques Fe3 + et Cr3+, via les ions d'oxygène, est à l'origine du magnétisme de nos couches de BFCO et permet d'expliquer leurs propriétés magnétiques observées. En vue de ces résultats, nous constatons que le BFCO offre un bel exemple de système tf -cf dont les propriétés magnétiques sont régies par des interactions de superéchange de différentes natures. La forte magnétisation observée dans nos couches (-2 ps/u.f. pour des couches de 80 nm) a été attribuée à leur haut degré d'ordre cationique Fe/Cr. La magnétisation à température ambiante de ces films est un fait inattendu, mais qui peut être expliqué par l'effet des paires d'électrons non appariés d'orbitales 6s du bismuth couplé à celui des contraintes épitaxiales. Nos couches de BFCO possèdent aussi d'excellentes propriétés ferroélectriques à température ambiante avec une polarisation à saturation de 1' ordre de 55 pC/cm2 selon la direction cristalline cubique [OOl]c pour des couches de 200 nm. La magnétisation à température ambiante de ces dernières couches est appréciable, mais cependant plus faible que celle obtenue pour une épaisseur plus faible. Ce constat nous a amené à étudier plus en détails le comportement des propriétés physiques des couches de BFCO en fonction de leurs épaisseurs. Cette étude en fonction de l'épaisseur nous a permis de corréler le changement de la magnétisation observé à celui de l'ordre cationique Fe/Cr. Plus précisément, un désordre de l'arrangement alterné des ions Fe3+ et cl+ cause une diminution de la magnétisation. Ce désordre augmente significativement au delà d'une épaisseur des couches de 80 nm. Ces changements affectent directement 1' interaction magnétique de superéchange entre les ions Fe et Cr en la diminuant. Par contre, les propriétés ferroélectriques estimées à partir du coefficient piezoélectrique dzz ne varient pas avec 1' épaisseur des couches. En conclusion, nous avons synthétisé avec succès des couches minces de BFCO, un matériau qui avait été prédit par des simulations et des calculs ab-initio, mais jamais synthétisé auparavant. Nos avons déterminé la fenêtre- très étroite- des paramètres de dépôt pour lesquels les films de BFCO sont monophasé et avons ensuite établi les condition de synthèse qui optimisent leurs propriétés. Ces couches possèdent de bonnes propriétés multiferroïques, qui dépassent même les prédictions et simulations théoriques. En effet ces couches épitaxiées de BFCO présentent à la fois de très bonnes propriétés ferroélectriques, mais aussi une magnétisation appréciable à température ambiante, largement suffisante pour des applications, ce qui fait des couches minces épitaxiées de BFCO un système multiferroïque à température ambiante tout à fait unique. Puis nous avons montrés que l'origine du magnétisme de nos couches de BFCO était la compétition entre des interactions de superéchange antiferromagnétiques et ferromagnétiques entre les cations magnétiques Fe3 + et Cr3 + via les ions d'oxygène, ce qui permet d'expliquer les propriétés magnétiques observées. Nous avons enfin établi que c'était l'ordre cationique Fe/Cr dans les couches de BFCO qui expliquaient leurs propriétés magnétiques exceptionnelles à température ambiante, et aussi que cet ordre diminuait avec l'épaisseur des couches lorsque celles-ci excédaient 80-90 nm. Ces résultats représentent une avancée considérables, aussi bien en ce qui concerne l'exploit de synthétiser un nouveau matériau jamais réalisé auparavant, mais aussi en ce qui concerne la compréhension des phénomènes fondamentaux expliquant les propriétés uniques des couches minces épitaxiées de BFCO, et cela ouvre surtout la porte à de nombreuses applications potentielles où ces couches minces de BFCO peuvent être utilisées pour réaliser des dispositifs novateurs et réels fonctionnant à température ambiante.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Pignolet, Alain
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: couches minces; matériaux multiferroiques; BFCO
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 16 févr. 2018 21:28
Dernière modification: 16 févr. 2018 21:28
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6822

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