Etude de films minces de structure type Ruddlesden-Popper par épitaxie combinatoire

Study of Ruddlesden-Popper thin films by combinatorial substrate epitaxy

• Auteur / Autrice : Morgane Lacotte
• Direction : Wilfrid Prellier, Daniel Chateigner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lecoeur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wilfrid Prellier, Daniel Chateigner, Philippe Lecoeur, Maryline Guilloux-Viry, Philippe Thomas, Sylvain Marinel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maryline Guilloux-Viry, Philippe Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie

Chimie des surfaces

Oxydes

Matériaux céramiques

Couches minces

Résumé

Les films minces d’oxydes de métaux de transition font l’objet de nombreuses études, en raison de leurs applications potentielles variées. Néanmoins, nombre de ces recherches ont été entreprises avec des substrats monocristallins classiques, d’orientations typiques (100), (001) ou encore (110), représentant une fraction infime de l’espace des orientations. Nous avons donc développé une approche innovante, appelée « épitaxie combinatoire », pour laquelle chaque film est déposé à la surface d’un substrat céramique polycristallin poli. Chaque grain peut ainsi être considéré comme un monocristal d’orientation particulière, donnant une infinité d’orientations à la surface d’un même échantillon. Ce travail de thèse présente l’étude de matériaux appartenant au premier terme de la série de Ruddlesden-Popper, de formule générale A2BO4, et présentant une structure dérivée de la pérovskite. La synthèse de substrats de Sr2TiO4, l’optimisation du dépôt de films minces de Ca2MnO4 et de Nd2NiO4 par ablation laser pulsé, et la caractérisation des relations d’orientation (ORs) film-substrat sont détaillées. En plus d’une croissance grain sur grain des films sur les substrats, deux ORs majeures sont mises en évidence. L’épaisseur du film, sa composition, mais aussi la contrainte induite par le substrat présentent une influence sur ces ORs, et donc sur la texture des films, ce qui peut être expliqué par des considérations cinétiques et thermodynamiques. Ce travail démontre donc le potentiel de l’épitaxie combinatoire, à savoir la compréhension et la prédiction du comportement de films minces d’oxydes complexes déposés sur des substrats isostructuraux.

Transition metal oxide thin films have been widely studied, because of their various potential applications. However, numerous investigations have been performed using classical monocrystalline substrates of typical orientations (100), (001) or (110), representing a limited fraction of orientation space. We have been developing a novel approach, called “Combinatorial Substrate Epitaxy”, for which each film is deposited at the polished surface of a polycrystalline ceramic substrate. From this point of view, each grain can be considered as a single crystal of a particular orientation, giving an infinite number of orientations at the surface of a single sample. This work presents the study of materials belonging to the first term of the Ruddlesden-Popper series, of the general formula A2BO4 and derived from the perovskite structure. The synthesis of Sr2TiO4 substrates, the optimization of the pulsed laser deposition of Ca2MnO4 and Nd2NiO4 thin films, and the characterization of film-substrate orientation relationships (ORs) are detailed. In addition to a grain-over-grain growth of the films on substrates, two main ORs are highlighted. The film thickness and composition as well as the substrate-induced strains influence these ORs and thus the film texture, which can be explained considering kinetic and thermodynamic factors. This work finally demonstrates the potential of Combinatorial Substrate Epitaxy, which will be useful for the comprehension and help to the prediction of the behavior of complex oxide films deposited on isostructural substrates.