Études théoriques des couches minces à base d'électrocéramique : effets d'interface et de défauts plans sur la structure électronique

par Jan-Michael Albina

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Olivier Chauvet et de Christian Elsässer.


  • Résumé

    Les composants électroniques utilisant des couches minces à base d’oxydes de type perovskite sont très attractifs d’un point de vue technologique et scientifique en raison de leur fort potentiel comme solution alternative aux composés à base de Si. La fabrication et la croissance épitaxiale d’hétéro-structures en couches minces de quelques nanomètres d’épaisseur peuvent-être réalisées expérimentalement à partir de substrats monocristallins d’oxydes par des techniques, par exemple, de déposition par laser pulsé ou par épitaxie à jet moléculaire. Pour la fabrication de tels systèmes, il est important d’avoir des informations détaillées sur les structures et les barrières électroniques entre le film, le substrat et les électrodes. Des calculs par premiers principes basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité et utilisant une méthode à base mixte et à pseudo-potentiels ont été menés afin d’étudier les propriétés mécaniques et électroniques d’interfaces perovskite/perovskite. Les offsets de bandes entre un film diélectrique de SrTiO3 et un substrat isolant de LaAlO3 ainsi que les barrières de Schottky entre SrTiO3 et une électrode de SrRuO3 ont été calculés et analysés pour différentes terminaisons et translations latérales. En outre, pour une interface semi-cohérente SrTiO3/SrZrO3, un modèle utilisant des dislocations séparées par des régions cohérentes à été employé afin d’étudier l’influence des dislocations sur les barrières d’énergie et sur l’énergie mécanique de séparation à l’interface. Enfin l’impact de défauts structurels étendus sur les propriétés électriques de SrTiO3 à été étudié pour différentes orientations: (001), (110) et (111).


  • Résumé

    Electroceramic thin-film devices based on perovskite-type oxide compounds have very attractive scientific and technological potentials as alternatives to Si-based functional components in microelectronics. Heterophase systems with film thickness of few nanometers and nearly perfect crystalline structures and compositions can be fabricated by epitaxial growth on single-crystalline oxide substrates, e. G. Via molecular beam epitaxy or pulsed laser deposition techniques. For a predictive design of such heterostructures it is important to have detailed information about electronic states and barriers between the deposited films, the supporting substrates, and the connecting electrodes. First-principles electronic-structure calculations, based on density functional theory and by means of a mixed-basis pseudopotential method, were carried out to investigate mechanical and electronic properties at lattice-matched perovskite/perovskite interfaces. Band offsets between dielectric SrTiO3 films and insulating LaAlO3 substrates, and Schottky barriers between SrTiO3 and conducting SrRuO3 electrodes were calculated and analyzed in terms of different interface terminations and translation states. Futhermore for a semi-coherent SrTiO3/SrZrO3 interface a model using localized misfit dislocations separated by coherent regions was employed to investigate the influence of dislocation cores on electronic energy barriers and on mechanical separation energies. Finally, the impact of extended structural defects on (001), (110), and (111)-oriented planes on the electrical properties of pure SrTiO3 was investigated.

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