Croissance de couches minces et de nanostructures piézoélectriques A2WO6 (A=lanthanide) par ablation laser et caractérisation nanométrique par microscopie à force atomique

Growth of A2WO6 (A = lanthanide) thin films and piezoelectric nanostructures by pulsed laser deposition and nanometric characterization by atomic force microscopy

• Auteur / Autrice : Thomas Carlier
• Direction : Rachel Desfeux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Poullain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachel Desfeux, Gilles Poullain, Brice Gautier, François Goutenoire, Marie-Hélène Chambrier, Anthony Ferri, Sonia Estrade, Pascal Roussel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Brice Gautier, François Goutenoire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ablation laser (fabrication)

Microscopie à force atomique

Nanotechnologie

Couches minces piézoélectriques

Mots clés libres

A2WO6 (A = Ln)

Film mince

Ablation laser pulsé

Diffraction de rayons X haute résolution

Microscopie électronique en transmission (TEM)

Microscopie à force atomique (AFM)

Microscopie à force piézoélectrique (PFM)

Microscopie électronique en transmission couplé à un microscope à effet tunnel in situ (TEM - STM in situ)

Piézoélectricité

Ferroélectricité

Oxyde

Nanostructure

Faisceau d'ions focalises (FIB)

Masque

Approche ''bottom-up''

Résumé

Afin de répondre à l’essor des nanotechnologies dans le domaine des capteurs et du stockage de l’information, la recherche de nouveaux matériaux éco-acceptables, sous forme de films minces et possédant de hautes performances s’inscrit dans une politique environnementale toujours plus présente.Le but de ce travail est donc double : (i) synthétiser des films minces d’oxydes de A2WO6 (A = lanthanide) et d’en démontrer le caractère piézo-/ferroélectrique à l’échelle locale ; (ii) nanostructurer ce type de matériau par une approche « bottom-up ».Cette thèse a débuté par l’étude de ces oxydes sous forme massive et notamment de leur comportement en température. À la suite de cette étude, des films minces de La2WO6 ont été synthétisés par ablation laser pulsé sur des substrats de SrTiO3 et de LaAlO3 orientés (100). La caractérisation structurale par diffraction de rayons X haute résolution et par microscopie électronique en transmission a permis de déterminer les paramètres de maille ainsi que les relations d’épitaxie de ces films. Par la suite, le caractère piézo-/ferroélectrique des films de α-La2WO6 haute température a été confirmé à l’échelle locale par microscopie à force piézoélectrique ainsi que par TEM-STM in situ. Le composé Nd2WO6 présente également toutes les caractéristiques d’un matériau piézoélectrique. Enfin, la nanostructuration via un masque en nitrure de silicium et l’ablation laser pulsé a permis la fabrication d’îlots piézoélectriques de La2WO6 de diamètres de 1,2 μm et 450 nm. Ces résultats prometteurs font des oxydes A2WO6 des candidats de choix pour la conception de nano-dispositifs piézo-/ferroélectriques.

With the development of nanotechnology in the field of sensors and information storage, the research for new eco-friendly materials in the form of thin films with high performances is part of an ever present environmental policy. The purpose of this work is twofold. It is (i) to synthesize oxide thin films of A2WO6 (A = lanthanide) and to demonstrate the local piezo / ferroelectric behavior; (ii) to nanostructure this type of material by using a ''bottom-up'' approach. Thus this thesis has began by studying the behavior of these oxides in bulk form, considering particularly the temperature and pressure effects. As a result, La2WO6 thin films were grown by pulsed laser deposition on (100)-oriented SrTiO3 and LaAlO3 substrates. The structural characterization by X-ray diffraction high resolution and transmission electron microscopy was used to determine the lattice parameters and the epitaxial relationships of these films. Thereafter, the piezo / ferroelectric behavior of high temperature α-La2WO6 film was locally confirmed by piezoelectric force microscopy and transmission electronic microscopy combined with the scanning tunneling microscopy. The Nd2WO6 compound has also the characteristics of a piezoelectric material. Finally, the nanostructuration by combining a silicon nitride mask and the pulsed laser deposition technique has enabled the fabrication of La2WO6 piezoelectric islands with diameters of 1.2 μm and 450 nm. These promising results make A2WO6 oxides ideal candidates for the design of piezo / ferroelectric nanodevices.