Nouvelles approches pour le design de composites multiferroïques nanostructurés de type (1-3)

New routes to design vertically aligned multiferroic nanocomposites

• Auteur / Autrice : Sergey Basov
• Direction : Catherine Elissalde, Luc Piraux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 30/01/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université catholique de Louvain (1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vigneras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Elissalde, Valérie Vigneras, Eric Bousquet, Nathalie Viart, Sandrine Payan, Mario Maglione, François Roulland, Kristiaan Temst, Bernard Nysten
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Bousquet, Nathalie Viart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Matériaux multiferroïques

Ferromagnétisme

Ferroélectricité

Mots clés libres

Multiferroiques

Ferromagnétiques

Ferroélectriques

Nanocomposites

Multiferroics

Ferromagnetic

Ferroelectric

Nanocomposites

Résumé

Les matériaux multiferroïques sont des matériaux multifonctionnels qui possèdent simultanément des propriétés magnétiques et ferroélectriques. Les perspectives d’applications sont ainsi très nombreuses dans les domaines de l’électronique (mémoires, dispositifs spintroniques et hyperfréquences). Le nombre restreint de matériaux multiferroïques monophasés a conduit au développement de nanostructures multiferroïques artificielles constituées d'oxydes ferroélectriques et ferrimagnétiques. Ce travail de thèse est axé sur l'effet magnétoélectrique (ME), obtenu pour de telles hétérostructures via la contrainte, qui permet de manipuler la polarisation spontanée ou l’aimantation par l’application d’un champ magnétique (effet ME direct) et d’un champ électrique (effet ME converse) respectivement. Les effets ME peuvent être observés à température ambiante grâce aux effets d’interfaces et de contraintes dans les nanocomposites multiferroïques. La combinaison de matériaux piézoélectriques PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT), Ba0.7Sr0.3TiO3 (BSTO), BaTiO3 (BTO) et de matériaux magnétostrictifs CoFe2O4 (CFO) a été largement exploitée pour l’élaboration de nanocomposites multiferroïques. Les travaux issus de la littérature montrent l’existence d’un fort couplage magnétoélectrique à température ambiante dans des films minces épitaxiés (systèmes de connectivité 2-2), mais un verrou est l’effet de « bride » (clamping effect) induit par le substrat. La conception d'architectures innovantes est un défi dans le domaine des nanocomposites multiferroïques. Ce travail est axé sur les composites de type (1-3) au sein desquelles des nanostructures ferrimagnétiques CoFe2O4 unidimensionnelles (1) sont incorporées dans des couches tridimensionnelles PZT, BTO et BSTO (3). De nouvelles approches ont été envisagées pour concevoir trois types de matériaux: i) des réseaux de nanofils CFO unidirectionnels entourés de nanotubes PZT imprégnés dans des membranes d'alumine; ii) des nanopilliers CFO incorporés dans des couches minces de BTO, BSTO et PZT; ii) des réseaux de nanofils CFO interconnectés 3-D intégrés dans une matrice PZT. Nos principaux objectifs visent i) la maîtrise de l’étape d’oxydation des nanofils et des nanopilliers métalliques CoFe2 afin de contrôler la morphologie et la densité des nanostructures CFO, ii) le contrôle des caractéristiques diélectriques des nanocomposites, iii) l’augmentation du couplage magnétoélectrique en optimisant la densité d’interfaces entre les deux phases ferroïques.La première architecture développée est un dépôt par imprégnation sol-gel de nanotubes PZT dans des membranes d'alumine poreuses autosupportées, suivie d'une électrodéposition des nanofils CoFe2 dans les nanotubes PZT et de leur oxydation par traitement thermique. La deuxième architecture repose sur un dépôt par pulvérisation cathodique magnétron en radiofréquence de couches BSTO et BTO et sur un dépôt par sol-gel de couches PZT, sur des réseaux de nanopilliers CoFe2 et CoFe2O4 alignés verticalement sur des substrats Si. L'oxydation de CoFe2 est réalisée in situ lors du dépôt par pulvérisation cathodique de BSTO et BTO. Les réseaux de nanopilliers CoFe2 sont obtenus par électrodéposition dans des structures nanoporeuses en alumine anodisée qui sont ensuite dissoutes. La dernière architecture proposée est obtenue en combinant l'électrodéposition des nanofils CoFe2 dans des membranes polymères poreuses, et le procédé sol-gel. Les nanostructures PZT-CFO sont préparées par imprégnation sol-gel de couches épaisses PZT dans des réseaux de nanofils CoFe2 et leur oxydation simultanée au cours de la cristallisation des couches PZT.Une attention particulière a été accordée aux effets d’interfaces par le biais des études microstructurales et morphologiques des nanocomposites (XRD, HRSEM, TEM et EDX). Les caractérisations magnétiques, diélectriques, ferroélectriques et magnétoélectriques ont permis d’évaluer les performances des différents nanocomposites élaborés.

Multiferroic materials including magnetoelectric materials that combine magnetic and ferroelectric orders have attracted great attention due to a possible strain-mediated coupling leading to potential applications in memories, sensors, detectors, spintronic and microwave devices. The number of single-phase multiferroic materials operating at room temperature being limited, we are exploring artificially designed multiferroic nanostructures consisting of ferroelectric and ferrimagnetic oxides. Current work is focused on strain-mediated magnetoelectric effect, which allows to generate a spontaneous polarization or magnetization by an applied magnetic field (direct ME effect) and electric field (converse ME effect) respectively. ME effects can be observed at room temperature through interface and strain interaction in two-phase multiferroic nanocomposites. The combination of piezoelectric materials PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT), Ba0.7Sr0.3TiO3 (BSTO), BaTiO3 (BTO) and magnetostrictive CoFe2O4 (CFO) materials have been intensively studied in multiferroic nanocomposites. The community has been able to demonstrate large magnetoelectric coupling at room temperature in epitaxial thin films, so called 2-2 connectivity system, but a key limitation in epitaxially grown thin films is a substrate imposed clamping effect limiting thin film’s strain. Designing innovative architectures is a challenge in the field of multiferroic nanocomposites. Our work is focused on vertically aligned multiferroic nanostructures, so called (1-3) connectivity nanocomposites, where one-dimensional ferrimagnetic CoFe2O4 nanostructures (1) are embedded into three-dimensional PZT, BTO and BSTO layers (3). New routes were considered to design three kinds of materials: i) vertically aligned CFO nanowire arrays surrounded by PZT nanotubes embedded into alumina membranes; ii) vertically aligned CFO nanopillar arrays embedded in thin BTO, BSTO and PZT layers supported on Si substrates; ii) 3-D interconnected CFO nanowire networks embedded in a thick PZT matrix. The objectives of the present work are to control the oxidation of metallic CoFe2 nanowires and nanopillars to control the morphology and density of CFO nanostructures, to control the resistivity and dielectric losses of the nanocomposites at the interface region, and to increase the magnetoelectric coupling of the multiferroic nanocomposites by increasing the interfacial surface area between the two ferroic phases.The first geometry we are developing is a deposition by sol-gel dip impregnation of PZT nanotube arrays into self-supported porous alumina membranes, followed by an electrodeposition and thermal oxidation of CoFe2 nanowire arrays within PZT nanotubes. The second architecture we are focusing on is a deposition by RF magnetron sputtering of BSTO and BTO layers and by sol-gel dip coating of PZT layers onto vertically aligned CoFe2 and CoFe2O4 nanopillar arrays supported on Si substrates. The CoFe2 oxidation is conducted in-situ during the BSTO and BTO sputter deposition. Free-standing CoFe2 nanopillar arrays are obtained by electrodeposition into anodized alumina nanoporous structures and chemical dissolution of alumina templates. The last geometry is prepared using a combination of electrodeposition into self-supported porous polymer membranes and sol-gel processes. The PZT-CFO nanostructures are prepared using impregnation of thick PZT layers into self-supported CoFe2 3D nanowire networks on Si substrates by sol-gel method and their simultaneous oxidation during PZT layers crystallization. Specific attention was focused on interfaces through microstructural and morphological evaluations of nanocomposites using XRD, HRSEM, TEM and EDS characterizations. The performances of the nanocomposites were evaluated using magnetic, dielectric, ferroelectric and ME measurements, an alternating gradient magnetometer, impedance analyser, PFM and the ME susceptometer operated inside PPMS were utilized, respectively.