Couches minces ferroélectriques sans plomb élaborées par des méthodes sol-gel modifiées

Lead-free ferroelectric thin films elaborated by modified sol-gel routes

• Auteur / Autrice : Claudette Mansour
• Direction : Christine Revenant, Mohammed Benwadih
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 18/05/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Renevier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Gibaud, Michel Langlet, Maryline Guilloux-Viry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Belleville, Emmanuel Defaÿ

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux ferroélectriques

Mots clés libres

Couches minces

Matériaux sans plomb

Méthodes à base de solution chimique

Ferroélectricité

Thin films

Lead-Free materials

Chemical solution methods

Ferroelectricity

Résumé

Les matériaux ferroélectriques sans plomb ont suscité un grand intérêt au cours de la dernière décennie, principalement pour leurs excellentes propriétés piézoélectriques et pyroélectriques qui permettent des applications pour la détection, les mémoires ferroélectriques, les dispositifs micro-ondes accordables et la récupération d'énergie. Les méthodes d’élaboration à base de solutions chimiques présentent de nombreux avantages tels qu'une production flexible à grande échelle, à faible coût et la formation de films minces homogènes, ce qui est capital pour améliorer les performances et la stabilité des dispositifs. Bien que cette méthode d’élaboration soit couramment utilisée pour la synthèse de couches minces, les mécanismes physiques fondamentaux régissant la formation de couches minces inorganiques restent mal compris.Dans notre travail, nous discutons de couches minces polycristallines de pérovskite Ba0.7Sr0.3TiO3 qui ont été étudiées par diffraction des rayons X, microscopie électronique et diffusion des rayons X aux petits angles (GISAXS) qui est un outil puissant pour explorer la morphologie à l’échelle nanométrique. Le GISAXS in situ réalisé lors de recuit à basse température a permis d'étudier la séparation de phase inorganique-organique. Le GISAXS ex situ réalisé lors de recuit à température élevée a permis d'étudier la formation de particules et de pores. De plus, un modèle théorique basé sur l'évaporation du solvant, la convection et la viscosité de la solution est présenté menant à une compréhension fondamentale de la formation de films minces inorganiques en général. En outre, nous avons étudié l’effet de la concentration du précurseur sur la morphologie et la structure des films minces de titanate de baryum strontium ainsi que sur leurs propriétés ferroélectriques. Ainsi, une compréhension approfondie du lien entre le processus de dépôt de solution chimique et les propriétés diélectriques et ferroélectriques finales à l'état solide a été obtenue.

Lead-free ferroelectric materials have attracted great interest over the last decade, mainly for their excellent piezoelectric and pyroelectric properties that enable applications for sensing, ferroelectric memories, microwave tunable devices and energy harvesting. Chemical solution-based deposition methods have numerous advantages such as large-scale, possible flexible, production leading to cost-effective processing technologies and formation of homogeneous thin films, which is crucial for improving the performance and stability of devices. Although this deposition method is commonly used for thin film synthesis, the fundamental physical mechanisms governing the formation of inorganic thin films remain poorly understood.In our work, we discuss perovskite Ba0.7Sr0.3TiO3 polycrystalline thin films that were studied by X-ray diffraction, electron microscopy and synchrotron Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) which is a powerful tool for exploring morphology at the nanoscale. In situ GISAXS performed at low annealing temperatures allowed studying the inorganic-organic phase separation. Ex situ GISAXS performed at high annealing temperatures allowed studying particle and pore formation. Moreover, a theoretical model based on solvent evaporation, convection and solution viscosity is presented leading to a fundamental understanding of the formation of inorganic thin films in general. Furthermore, the effect of precursor concentration on barium strontium titanate thin films and on their ferroelectric properties is presented. Hence, a thorough understanding of the relationship between the chemical solution deposition process and the final solid-state dielectric and ferroelectric properties has been achieved.