Contrôle électromécanique des parois de domaines en surface

Electromechanical control of surface domain walls

• Auteur / Autrice : Grégoire Magagnin
• Direction : Nicholas Barrett
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/04/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Eymeric Janolin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gustau Catalán, Frédéric Leroy, Mojca Otonicar
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gustau Catalán, Frédéric Leroy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Spectroscopie électronique

Photoémission

Cristaux ferroélastiques

Ferroélasticité

Mots clés libres

Parois de domaines

Ferroélastique

PEEM

LEEM

CaTiO₃

Deformation

Domain walls

Ferroelastic

PEEM

LEEM

CaTiO₃

Strain

Résumé

Le travail de thèse porte sur le contrôle électromécanique des parois de domaines ferroïques dans les céramiques titanate de baryum et titanate de calcium. La première partie est consacrée à l'observation et quantification in-situ de l'ordonnancement ferroélastique dans le titanate de calcium par des techniques de microscopie à photoémission. Nous utilisons l'imagerie par microscopie de photoémission d'électrons (PEEM), au seuil de photoémission, pour étudier la topographie physique de la surface ferroélastique avec sa structure caractéristique en forme de toit d'usine de type vallée/crête et pour quantifier les angles de macle. Par des considérations de symétrie, à partir des angles de macle, on peut déduire les directions des déformations ferroélastiques dans les domaines. Les résultats concordent avec la mesure indépendante des angles par microscopie à force atomique (AFM). Avec cette méthode, il serait possible de mesurer avec précision la topographie physique sur n'importe quelle surface ferroélastique et de quantifier les états de contrainte dans les domaines jacents.De plus, nous identifions directement l'orientation du paramètres d'ordre ferroélastique dans les domaines, la déformation spontanée, par la spectroscopie d'absorption des rayons X dans un microscope d'électrons en photoémission (XAS-PEEM). La grandeur de l'interaction de la lumière polarisée avec les orbitales 3d du titane dans le titanate de calcium dépend de l'orientation de la déformation des domaines. Ainsi, un contraste correspondant aux différents états de déformation spontanée est visible par dichroïsme linéaire des rayons X (XLD), qui est la différence entre les images avec des polarisations de la lumière transverse orthogonales. La détermination in-situ des angles de topographie physique et de l'orientation de la déformation par PEEM ouvre des perspectives pour une analyse complète de la réponse électromécanique des parois ferroélastiques.Dans une deuxième partie, nous avons étudié un rétrécissement de la bande interdite au niveau des parois de domaine dans le titanate de calcium. La bande interdite est mesurée par spectroscopie des pertes d'énergie électronique (EELS) dans un microscope électronique à basse énergie (LEEM) en mode dispersif. Un diaphragme dans un plan image est centré sur les domaines ou sur les parois. Dans chaque cas nous mesurons l'écart en énergie entre le pic élastique et le début du pic des pertes. Le rétrécissement aux parois est compris entre 0.01 et 0.33 eV, avec une réduction plus importante pour les parois de domaine polarisées vers le haut que pour celles polarisées vers le bas. Le rétrécissement de la bande interdite est suggéré comme un effet extrinsèque de l'interaction entre les lacunes d'oxygène et les parois, générant des états dans la bande interdite. Une modulation du rétrécissement de la bande interdite en fonction de la concentration des lacunes d'oxygène est également observée. Dans la dernière partie, nous étudions la mobilité des parois de domaine ferroélastiques du titanate de baryum sous l'effet d'un fluage. Le mouvement des parois ferroélastiques de domaine ferroélectrique est un processus non linéaire où la propagation continue des parois se superpose souvent à des sauts soudains. L'accumulation de plusieurs sauts forme une avalanche. Nous profitons de la résolution spatiale du PEEM pour observer les parois de domaines sur une longue plage de temps en s'aidant de la modulation de la polarisation des domaines ferroélectriques. Nous avons constaté que la distribution en énergie du mouvement brusque des parois ferroélastiques suit une loi de puissance avec un exposant de 1.37, ce qui confirme la dépendance du mouvement d'avalanches indépendante de l'échelle.

In this thesis, we investigate the electromechanical control the domain walls in ferroelastic calcium titanate and ferroelectric barium titanate single crystals. We first observe and quantify in-situ the ferroelastic ordering in calcium titanate by photoemission electron microscopy (PEEM). We use threshold PEEM to study and quantify the physical topography of the ferroelastic surface with its characteristic valley/ridge factory roof-like structure and quantify the surface twin angles. From symmetry considerations, we deduce the ferroelastic strain ordering. The results agree well with the independent measurement of the tilt angles using atomic force microscopy (AFM). This method allows measurement of the physical topography of any ferroelastic surface by PEEM and identification of the strain states in the adjacent domains.We directly identify the orientation of the ferroelastic order parameter by X-ray absorption spectroscopy photoemission electron microscopy (XAS-PEEM). The polarized light interaction with the titanium 3d orbitals is not equivalent between ferroelastic domains with different strain orientation. Contrast related to the different spontaneous strain orientations is visible in X-ray linear dichroism (XLD), which is the difference between images acquired by transverse vertical and horizontal polarization light. In-situ twin angle and strain determination by PEEM opens perspectives to a complete analyze of the domain wall electromechanical response.In the second part of the thesis, we measure the band gap narrowing at the calcium titanate domain walls. The gap is determined by electron energy loss spectroscopy (EELS) in a low energy electron microscope (LEEM) operating in dispersive mode. A field aperture in an image plane is centered on domains and on domain walls. In each case the gap is given by the separation of the elastic and the onset of the loss peak. The reduction at the domain walls is between 0.01 and 0.33 eV, with a higher values for upward polarized domain walls. The narrowing is suggested to be an extrinsic effect stemming from the interaction between oxygen vacancy defects and the domain walls, generating gap states. A possible tuning of the band gap energy with the oxygen vacancy concentration is also observed. Finally, we investigate ferroelastic domain wall creep in barium titanate. Dynamical domain wall behavior is at the core of ferroelastic/ferroelectric switching. The motion of ferroelectric domain walls is a nonlinear process where continuous propagation often superimposes with sudden jumps called jerks. We take advantage of the PEEM spatial resolution to observe domain walls over a long time range from the surface potential modulation of the ferroelectric domain polarizations. A residual stress from the sample mounting provides a driving force for domain wall fluctuating movement. We found that the domains wall creep follows a power law with an exponent of 1.37 from the jerk energy distribution, providing striking confirmation of a scale-independent motion.