Switchable photovoltaic properties in ferroelectric PZT thin films
Propriétés photovoltaïques commutables dans des couches minces ferroélectriques de PZT
Résumé
Ferroelectric (FE) thin films are being explored for their possible use in photovoltaic (PV) applications. This is due to their high open-circuit voltage and switchable photovoltaic effect, which make them attractive for PV applications. Theoretically, 100% switching of the photocurrent can be achieved by varying the direction of the ferroelectric polarization through the ferroelectric layer. This is particularly intriguing for applications such as photo-ferroelectric memory. The presence of switchability in integrated ferroelectric films between electrodes, however, is not always achieved due to extrinsic parameters such as the nature of the electrode-ferroelectric interface (Schottky contact) or the presence of non-mobile charged defects in the ferroelectric film. In addition, the movement of charged defects, such as oxygen vacancies, under the influence of applied electric fields can have an effect on switchable photocurrent as well. It is not an easy process to disentangle all these contributions (polarization, interfaces, defects) to the photovoltaic properties of ferroelectric devices, and little is known about the quantitative link between photocurrent and ferroelectric polarization. In this work, a thorough investigation of the switchability of the PV properties of epitaxial lead zirconate titanate Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) thin films has been carried out in order to study quantitatively the role of ferroelectric polarization. 100 nm thick PZT films were grown using pulsed laser deposition (PLD) and integrated into a capacitor geometry between bottom and top electrodes. The photoinduced current in the PZT devices was investigated under UV illumination (above the PZT band gap) and in different polarization states by poling the devices under increasing electric fields in order to achieve distinct electrical states while simultaneously monitoring their polarization value. A comparison study of different interfaces was also carried out, including Pt and ITO as top electrodes, SrRuO₃ (SRO) and LaSrMnO₃ as bottom electrodes, as well as the insertion of SrTiO₃ dielectric layer at the PZT/electrode interface. This work has provided a quantitative determination of the switchable vs unswitchable parts of photocurrent. More precisely, the study of the dependence of the photocurrent as function of electrically controlled remanent polarization has shown that (1) the photocurrent depends linearly on the switchable part of the ferroelectric polarization and that (2) the analysis of this dependence allows extracting quantitatively the pinned polarization value in the FE layer. Such pinned polarization strongly affects the switchability of the PV properties in FEs and is otherwise rather difficult to probe by classical FE characterizations. In addition, the comparative study of different interfaces also revealed the contribution from the electrode-ferroelectric interface on the PV properties, which can induce really different switchability and amplitude of photocurrents. In conclusion, these results are thus particularly relevant for the optimization of FE thin films to achieve switchable PV properties which could have far-reaching implications for future photo-ferroelectric memory applications. In addition, the developed method of investigation of photocurrents switchability provides important insights on the ferroelectric behavior in all types of ferroelectric layers, in which pinned polarization could be significant but difficult to investigate otherwise.
Les films minces ferroélectriques (FE) sont largement étudiés pour leur application possible dans le domaine du photovoltaïque (PV). Ils sont particulièrement prometteurs pour des applications PV en raison de leur tension photoinduite élevée en circuit ouvert et de leur effet photovoltaïque commutable. Théoriquement, une commutation à 100 % du photocourant peut être obtenue en faisant varier la direction de la polarisation ferroélectrique à travers la couche ferroélectrique. Ceci est particulièrement intéressant pour des applications telles que les mémoires photo-ferroélectriques. La commutation du photocourant dans les films ferroélectriques intégrés entre électrodes n'est cependant pas toujours atteinte en raison de paramètres extrinsèques tels que la nature de l'interface électrode-ferroélectrique (contact Schottky) ou la présence de défauts chargés non mobiles dans le film ferroélectrique. De plus, le mouvement de défauts chargés, tels que des lacunes d'oxygène, sous l'influence des champs électriques appliqués peut également avoir un effet sur le photocourant commutable. Il n'est pas facile de distinguer toutes ces contributions (polarisation, interfaces, défauts) sur la réponse photovoltaïque des dispositifs ferroélectriques, et on sait peu de choses sur le lien quantitatif entre photocourant et polarisation ferroélectrique. Dans ce travail, une étude approfondie de la commutation des propriétés PV des films minces épitaxiés de titanate-zirconate de plomb Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) a été réalisée afin d'étudier quantitativement le rôle de la polarisation ferroélectrique. Des films de PZT de 100 nm d'épaisseur ont été élaborés par ablation laser pulsé (PLD) et intégrés dans une géométrie de condensateur entre électrodes inférieure et supérieure. Le courant photoinduit dans les dispositifs PZT a été mesuré sous éclairage UV (énergie au-dessus de la bande interdite du PZT) et dans différents états de polarisation en soumettant les dispositifs à des champs électriques croissants afin d'obtenir des états électriques distincts tout en mesurant simultanément leur valeur de polarisation. Une étude comparative de différentes interfaces a également été réalisée, incluant Pt et ITO comme électrodes supérieures, SrRuO₃ (SRO) et LaSrMnO₃ comme électrodes inférieures, ainsi que l'insertion d'une couche diélectrique de SrTiO₃ à l'interface PZT/électrode. Ce travail a fourni une détermination quantitative des parties commutables et non commutables du photocourant. Plus précisément, l'étude de la dépendance du photocourant en fonction de la polarisation rémanente commandée électriquement a montré que (1) le photocourant dépend linéairement de la partie commutable de la polarisation ferroélectrique et que (2) l'analyse de cette dépendance permet d'extraire quantitativement la valeur de polarisation non commutable dans la couche FE. Une telle polarisation affecte fortement la commutation des propriétés PV dans les FE et est par ailleurs assez difficile à sonder par les caractérisations ferroélectriques classiques. De plus, l'étude comparative de différentes interfaces a également révélé la contribution de l'interface électrode-ferroélectrique sur les propriétés PV, ce qui peut induire des commutation et amplitude de photocourants très différentes. En conclusion, ces résultats sont donc particulièrement intéressants pour l'optimisation des films minces FE afin d'obtenir des propriétés PV commutables, ce qui pourrait avoir de fortes implications pour les futures applications de mémoire photo-ferroélectrique. De plus, la méthode développée d'étude de la commutation des photocourants fournit des informations importantes sur le comportement ferroélectrique dans tous les types de couches ferroélectriques, dans lesquelles la polarisation non commutable pourrait être importante mais difficile à étudier autrement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)