Elaboration et caractérisation des films magnéto-électriques de Terfenol-D/PZT sur silicium à l'aide de nanofeuillets de Ca2Nb3O10

Elaboration and characterization of magnetoelectric films of Terfenol/PZT films on silicon using Ca2Nb3O10 nanosheets

• Auteur / Autrice : Jacques junior Manguele
• Direction : Gilles Poullain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 24/03/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Ulrike Anne Lüders
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Poullain, Rachel Desfeux, Valérie Bouquet, Christophe Cibert, Nathalie Lemée
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachel Desfeux, Valérie Bouquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Couches minces

Matériaux ferromagnétiques

Cristaux ferroélectriques

Matériaux multiferroïques

Mots clés libres

Magnétoélectriques

Couche tampon

Nanofeuillets

Multiferroics

Magnetoelectrics

Ferroelectrics

Ferromagnetics

Thin films

Seed layer

Nanosheets

Silicon substrate

Résumé

Cette thèse porte sur l'intégration de films minces de composites magnétoélectriques ME (Terfenol-D/PZT) sur silicium. Des nanofeuillets de [Ca2Nb3O10]- (CNO) sont utilisés comme sous-couche de croissance et d'adhérence du platine (électrode inférieure) et du PZT sur SiO2/Si. Contrairement à la sous-couche de TiO2 habituellement utilisée, les nanofeuillets ont un faible coût, sont faciles à déposer par la méthode de Langmuir-Blodgett à température ambiante sans utiliser de techniques du vide. L’utilisation de nanofeuillets permet d’obtenir une bonne qualité cristalline et une texturation (111) de l’électrode inférieure de Pt à basse température (200°C), soit un gain de plus de 400°C par rapport à l’utilisation du TiO2, mais aussi de contrôler l’orientation ((111) ou (100)) du film de Pt. Ces mêmes nanofeuillets permettent de réduire de 50°C la température de dépôt des films de PZT sur Pt, par rapport à une sous-couche de TiO2, et d’obtenir une orientation (100) du PZT, plus endurante à la fatigue. Enfin, une nouvelle barrière de TiN a été introduite à l’interface Terfenol-D/PZT, permettant de limiter les diffusions, même après recuit du film de Terfenol-D à 450°C. Un coefficient ME de 80 mV/cm.Oe a été obtenu pour la première fois à cette température de recuit.

This thesis deals with the integration of thin films of magnetoelectric ME (Terfenol-D/PZT) composites on silicon. [Ca2Nb3O10]- nanosheets (CNOns) are used as a template layer for the growth and the adhesion of platinum (bottom electrode) and PZT films on SiO2/Si. Unlike the TiO2 underlayer usually used, the nanosheets have a low cost and are easy to deposit by the Langmuir-Blodgett method at room temperature without using vacuum techniques. The use of nanosheets makes it possible to obtain a good crystalline quality and a (111) texturation of the Pt bottom electrode at low temperature (200°C), i.e. a gain of more than 400°C compared to TiO2 underlayer, but also to control the orientation ((111) or (100)) of the Pt film. These nanosheets make it possible to reduce the deposition temperature of PZT films on Pt by 50°C, compared to a TiO2 underlayer, and to obtain (100) orientation of the PZT films, which is more resistant to fatigue. Finally, a new TiN barrier was introduced at the Terfenol-D/PZT interface, making it possible to limit diffusions, even after annealing the Terfenol-D film at 450°C. A ME coefficient of 80 mV/cm.Oe was obtained for the first time at this annealing temperature.