Étude des phases dans des films minces d'oxyde de structure pérovskite en microscopie électronique en transmission

Study phase in oxide thim films with perouskite structure by transmission electromicroscopy

• Auteur / Autrice : Wajdi Saidi
• Direction : Jérôme Pacaud, Frédéric Pailloux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 10/12/2014
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Barbot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Pacaud, Frédéric Pailloux, Wilfrid Prellier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bénédicte Warot, Nicolas Menguy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie

Antiferromagnétisme

Couches minces

Microscopie électronique en transmission

Pérovskite

Mots clés libres

Pérovskite

Microscopie électronique

Films minces

Multiferroïque

Épitaxie

Perovskite

Electron microscopy

Thin films

Multiferroic

Epitaxy

Résumé

L’objectif de ce travail est de caractériser par microscopie électronique en transmission (MET) la structure cristalline des films minces de BiFeO3 (BFO) épitaxiés sur LaAlO3 (LAO) (001) et Ca0,96Ce0,04MnO3//YAlO3 (CCMO//YAO) (001) à l’échelle de nm. En effet, BFO à l’état massif cristallise dans la structure rhomboédrique R3c à température ambiante avec une polarisation ferroélectrique de ≈ 90 μC/cm2 suivant [111]pc. En film mince, des études précédentes ont montré que BFO peut adopter une structure pseudo-quadratique (type-T) avec un rapport c/a ≈ 1,27 et une structure pseudo-rhomboédrique (type-R) avec un rapport c/a ≈ 1,07. Ce changement de phase améliore la polarisation ferroélectrique et change l’ordre antiferromagnétique. Nous avons étudié des films minces de BFO de différentes épaisseurs déposés sur (001) LAO. Pour le film de 7 nm, aucun joint de grain n’a été observé. Le diagramme de diffraction présente seulement les réflexions fondamentales de la maille pseudo-cubique. Dans les films plus épais, deux types de grains sont présents de type-T avec un rapport c/a ≈ 1,24 et de type-R avec un rapport c/a ≈ 1,05. La phase type-R est présente sous la forme d’un grain incliné entouré par une matrice de phase de type-T. Les deux phases de type-T de type-R ont été identifiées respectivement comme une structure monoclinique Cm et une structure rhomboédrique R3c légèrement distordue. Pour les films minces de BFO (94 nm) déposés sur CCMO//YAO (001), deux phases de type-T et de type-R sont également présentes. La phase de type-R est identifiée ici comme la phase rhomboédrique R3c légèrement distordue avec un rapport c/a ≈ 1,09. La phase de type-T est identifiée comme la phase quadratique P4mm légèrement distordue avec un rapport c/a ≈ 1,27. Nos résultats tendent à montrer que l’augmentation de la contrainte de compression favorise la stabilisation de la phase quadratique P4mm.

The aim of this work is to characterize by transmission electron microscopy (TEM) at the scale of nm the crystal structure of thin films of BiFeO3 (BFO) grown on (001) LaAlO3 (LAO) and (001) Ca0,96Ce0,04MnO3//YAlO3 (CCMO//YAO). Indeed, BFO in the bulk state crystallizes in the R3c rhombohedral structure at room temperature with a ferroelectric polarization of ≈ 90 μC/cm2 in the [111]pc direction. In thin film, previous studies have shown that BFO can adopt a pseudo-tetragonal structure (T-like) with a c/a ratio ≈1.27 and a pseudo-rhombohedral structure (R-like) with a c/a ratio ≈ 1.07. This phase change improves the ferroelectric polarization and change the antiferromagnetic order. We studied BFO thin films of different thicknesses deposited on (001) LAO. For the film of 7 nm, no grain boundary was observed. The diffraction pattern shows only the fundamental reflections of the pseudo-cubic lattice. In thicker films, two types of grains are present T-like with a c/a ratio ≈ 1.24 and R-like with a c/a ratio ≈ 1.05. The R-like phase is generally present in the form of slanted R-like grains surrounded by a T-like matrix. The T-like and R-like phases were identified as a monoclinic Cm structure and rhombohedral R3c structure slightly distorted, respectively. For thin films of BFO (94 nm) deposited on CCMO//YAO (001), T-like and R-like phases are also present. The R-like phase is identified here as the rhombohedral R3c structure slightly distorted with a c/a ratio ≈ 1.09. The T-like phase is identified here as the tetragonal P4mm phase slightly distorted with a c/a ratio ≈ 1.27. Our results suggest that the increase of the compressive stress promotes the stabilization of the tetragonal phase P4mm.