Défauts chargés dans les couches minces dopées de BaTiO3

Electronic and ionic charged defects in doped BaTiO3 thin films

• Auteur / Autrice : Christopher Castro chavarria
• Direction : Mario Maglione, Andreas Klein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 09/11/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Technische Universität (Darmstadt, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Wilfrid Prellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mario Maglione, Andreas Klein, Marie-Paule Besland, Denis Remiens, Wolfgang Donner, Laurent Bechou, Emilien Bouyssou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, Denis Remiens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fermi, Niveau de

Diélectriques

Baryum -- Composés

Mots clés libres

Titanate de barium

Couches minces

Diélectrique

XPS

ToF-SIMS

Défauts chargés

Dopage

Courants de fuite

RPE

Barium titanate

Thin films

Dielectric

XPS

ToF-SIMS

Charged defects

Doping

Leakage currents

EPR

Résumé

Les travaux ici présents portent sur l’étude des couches minces BaTiO3 (BTO) dopées et déposées par pulvérisation cathodique. Grâce à ses propriétés ferroélectriques et à sa forte permittivité diélectrique, leBTO est utilisé comme un condensateur accordable ou encore dans des mémoires non-volatiles (FeRAM). Néanmoins, ces propriétés sont fortement dégradées lors de sa déposition sous forme de couche mince àcause des effets extrinsèques d’interface. La stratégie adoptée dans cette étude pour améliorer ces propriétés diélectriques est de contrôler les défauts chargés à l’interface par des multicouches de couches minces de BTO dopé au Mn, Nb et La. Des études sur les couches mono dopées et les multicouches ont montré que les interfaces soigneusement conçues conduisent à augmenter la permittivité relative des couches minces de BTO, en contradiction avec la croyance commune selon laquelle les interfaces se comportent comme des couches mortes. L’utilisation des différentes techniques comme la Résonance Paramagnétique Électronique (RPE), l’impédance diélectrique et notamment la Spectrométrie de Photoélectrons X (XPS en anglais) et laSpectrométrie de Masse à Ions Secondaires à Temps de Vol (ToF-SIMS en anglais) nous a permis de relier les différents aspects physiques et chimiques comme le niveau de Fermi et la chimie de défauts aux interfaces des multicouches de BTO. De plus, nous avons étudié les particularités du niveau de Fermi des couches dopées au Mn. Des phénomènes de charge ou même du photovoltage de surface induisent un changement artificiel du niveau de Fermi du BTO dopé Mn déposé sur différents substrats. Enfin, nous avons mis en place une technique de dépôt à l’aide du plasma d’oxygène qui a permis de baisser le niveau de Fermi vers la bande de valence du BTO dopé Mn.

The work presented here focuses on the study of doped BaTiO 3 (BTO) thin films deposited by magnetron sputtering. Due to its ferroelectric properties and its high dielectric permittivity, BTO is used asa tunable capacitor or also in non-volatile memories (FeRAM). Nevertheless, these properties are strongly degraded when deposed as thin films as a results of the extrinsic interface effects. The strategy adopted in this study to improve these dielectric properties was to control the charged defects at the interface by multilayered doped BTO thin films (Mn, Nb and La). Studies on monodoped thin films and multilayershave shown that the carefully designed interfaces lead to increasing relative permittivity of BTO thin films,contradicting the common belief that interfaces behave like dead layers. The use of different techniques suchas Electron Paramagnetic Resonance (EPR), dielectric impedance and in particular X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Time-of-Fligh Secondary Ion Mass Spectroscopy (ToF-SIMS) have enabled us to relate the different physical and chemical aspects such as the Fermi level position and the defect chemistryat the interfaces of BTO multilayers. In addition, we have studied the particularities of the Fermi level position of Mn-doped layers. Charging phenomena or even surface photovoltage induce an artificial change in the Fermi level of the Mn-doped BTO when deposited on various substrates. Finally, we implemented a deposition technique using oxygen plasma which made it possible to lower the Fermi level position towards the valence band of Mn doped BTO.