Hétéro-épitaxie de films minces de niobate de strontium barium SrxBa1-xNb2O6 (SBN :x) sur substrat MgO recouvert d'une électrode de platine pour des applications électro-optiques

Strontium barium niobate (SBN :x) hetero-epitaxial thin films on platinium coated magnesium oxyde substrates for electro-optic applications

• Auteur / Autrice : Nadia Boulay
• Direction : Gérald Roosen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Optique des couches minces
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferroélectricité

Électrooptique

Couches minces

Mots clés libres

Accordabilité

Optique non-linéaire

Résumé

Le niobate de strontium barium SrxBa1-xNb2O6 (SBN:x) possède à l'état de cristal massif d'excellentes propriétés électro-optiques (r33 augmente avec le taux x de strontium et peut atteindre 1300 pm/V). L’effet Pockels y est nettement supérieur à celui que l’on observe dans les cristaux de LiNbO3, matériau de référence en électro-optique. L’objectif du travail présenté ici est de préparer des films minces de SBN qui possèdent des propriétés électro-optiques héritées de celles du matériau massif et permettent à terme d’intégrer traitement optique du signal à faible tension (par effet Pockels) et guidage planaire. Nous déposons les films amorphes par pulvérisation RF magnétron de cibles céramiques sur des substrats MgO (001) recouverts de platine. Ils sont ensuite cristallisés par recuit rapide. Des plots de platine déposés sur la surface permettent les caractérisations diélectrique, ferroélectrique, et électrooptique. Nous avons déterminé les conditions de la croissance qui permettent d’obtenir des films SBN monophasés et épitaxiés sur électrode de platine. Ces films présentent une forte non linéarité diélectrique (l’application de 3V suffit à faire chuter la permittivité diélectrique de moitié), des propriétés ferroélectriques et électrooptiques. Nous avons mis au point une méthode pour caractériser les propriétés électrooptiques. Elle permet de ne négliger aucun des effets potentiels induits par le champ électrique, et de déterminer les coefficients en jeu de façon indépendante. Le rapport r33 / r13 ainsi déterminé dans les films est 4 fois supérieur à celui du matériau SBN massif de même composition en strontium (x=60%). La valeur de r33 obtenue pour les films de SBN dépasse la valeur de r33 affichée par le niobate de lithium massif.

Srx Ba1-x Nb2 O6 crystals (SBN:x) exhibit one of the largest known linear electro-optic coefficients (r33 1340 pm. V-1 for SBN:0. 75), nearly two orders of magnitude larger than that of the primary electro-optic material LiNbO3. This makes SBN thin films particularly attractive for their potential use as low voltage electro-optic waveguides. In the work presented here, we have examined the ability of sputtering techniques to prepare such thin films. We deposit amorphous SBN films by R. F. Magnetron sputtering of ceramic targets on Pt coated MgO substrates. The films are then crystallized by rapid thermal annealing. Platinum dots deposited on the surface are used to perform the dielectric, ferroelectric, and electrooptic characterizations. We have determined the deposition and annealing conditions which allow the epitaxial growth of single phase and (001) oriented SBN films on Pt. These films exhibit a strong dielectric non linearity (a 3 V voltage is sufficient to lower the dielectric permittivity by half), ferroelectric and electrooptic properties. We have developed a method to characterize electrooptic properties of the films. It takes into account all the possible effects of the electric field and determines independently the involved electrooptic coefficients. The ratio r33 / r13 thus determined is found 4 times higher in films than in bulk SBN of same Sr content (x = 60%) and the r33 value is found higher in SBN films than in bulk LiNbO3.