Modélisation des états topologiques dans les matériaux ferroélectriques

Modelling of topological states in ferroelectric materials

• Auteur / Autrice : Iurii A. Tikhonov
• Direction : Igor A. Luk'yanchuk, Anna Razumnaya
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 26/06/2024
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de la matière condensée (Amiens ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Dubourdieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Bibes, Marty Gregg, Céline Lichtensteiger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marcelo Gabriel Stachiotti, Pavlo Zubko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarisation (électricité)

Nanoparticules

Ferroélectricité

Mots clés libres

États topologiques

Ferroélectriques

Polarisation

Domaines

Murs de domaines

Topological states

Ferroelectrics

Polarization

Domains

Domain walls

Résumé

Dans cette thèse de doctorat, en utilisant la méthode de simulation de champ de phase, nous modélisons les structures de polarisation émergeant dans les ferroélectriques de diverses dimensions et formes. Une attention particulière est accordée à l'identification et à l'analyse des états de polarisation topologiques dans les ferroélectriques confinés et en vrac, compte tenu du rôle pivot des forces électrostatiques et élastiques. Nous établissons la relation entre la topologie du champ de polarisation et les propriétés physiques du ferroélectrique et suggérons des applications pratiques potentielles pour ces matériaux.Le travail introduit les vortex et les Hopfions comme états topologiques fondamentaux qui émergent dans les nanoparticules ferroélectriques confinées. Nous approfondissons les simulations de champ de phase pour analyser ces formations topologiques, en particulier dans les nanoparticules sphériques, révélant la complexité et la stabilité des structures de vortex et de Hopfion au sein des nanomatériaux ferroélectriques. De plus, nous étudions comment ces états topologiques influencent les propriétés électromagnétiques des nanoparticules individuelles et des nanocomposites hébergeant ces nanoparticules.En outre, nous dévoilons l''émergence de la chiralité commutable dans les nanomatériaux ferroélectriques, spécifiquement dans les nanodots et nanoparticules, soulignant le rôle des textures ferroélectriques topologiques chirales dans le développement de nouveaux matériaux chiraux. Nous démontrons que la chiralité dans les ferroélectriques nanostructurés résulte de la rupture spontanée de symétrie, conduisant à un enroulement chiral de la polarisation dans les structures de Hopfion, également connues sous le nom de skyrmions 3D. Ce phénomène est facilité par l'interaction entre le confinement et les effets de dépolatisation. La capacité à contrôler la chiralité dans les ferroélectriques par un champ électrique appliqué ouvre des voies pour des dispositifs ferroélectriques avancés, y compris des sources de chiralité biomédicales et des dispositifs opto-plasmoniques.Enfin, sur la base de l'analyse des résultats de modélisation et des données expérimentales, nous examinons les structures de polarisation dans les ferroélectriques uniaxiaux et multiaxiaux, en reliant leurs états de polarisation topologiques à leurs propriétés, notamment la conductivité électrique et l'anisotropie. Cette approche révèle des structures complexes dans la ferroélectricité, encourageant des méthodes théoriques et expérimentales avancées pour étudier les phénomènes topologiques dans ces matériaux. Notre recherche approfondit le réseau des parois de domaine dans le ferroélectrique uniaxial faiblement conducteur, pour étudier comment une structure de domaine complexe forme une surface de paroi de domaine avec des morphologies de points de selle uniques, permettant des topologies dipolaires nouvelles qui évitent l'apparition de charges liées énergétiquement défavorables en l''absence de charges libres qui pourraient écranter ces charges liées. Complémentairement, nous étudions le réseau des parois de domaine dans les films contraints du ferroélectrique multiaxial, où la concentration de porteurs libres est suffisamment élevée pour écranter efficacement les charges liées formées au niveau des parois de domaine. Nous avons trouvé que le réseau 3D reconstruit de parois de domaine améliore les propriétés de transport et suggère de nouvelles possibilités pour la conception de dispositifs nanoelectroniques à travers la reconfiguration des domaines.En associant la connaissance traditionnelle des ferroélectriques à leur compréhension topologique approfondie, notre recherche repose sur la synergie des méthodes analytiques, de simulation et expérimentales. Cette approche souligne l'impact transformateur des ferroélectriques topologiques dans l'avancement de la science et de la technologie des matériaux

In this Ph.D. thesis, using the phase-field simulation method, we model the polarization structures, emerging in ferroelectrics of various dimensions and shapes. Special attention is given to identifying and analyzing the topological polarization states in confined and bulk ferroelectrics, considering the pivotal role of electrostatic and elastic forces. We establish the relationship between the topology of the polarization field and the physical properties of ferroelectric and suggest potential practical applications for these materials.The work introduces vortices and Hopfions as fundamental topological states that emerge in confined ferroelectric nanoparticles. We elaborate on phase-field simulations to analyze these topological formations, particularly in spherical nanoparticles, revealing the complexity and stability of vortex and Hopfion structures within the ferroelectric nanomaterials. Additionally, we investigate how these topological states influence the electromagnetic properties of the individual nanoparticles and the nanocomposites hosting these nanoparticles.Further, we unveil the emergence of switchable chirality in ferroelectric nanomaterials, specifically in nanodots and nanoparticles, highlighting the role of chiral topological ferroelectric textures in the development of new chiral materials. We demonstrate that chirality in nanostructured ferroelectrics arises from spontaneous symmetry breaking, leading to a chiral twisting of the polarization in Hopfion structures, also known as 3D skyrmions. This phenomenon is facilitated by the interplay between confinement and depolarization effects. The ability to control chirality in ferroelectrics through an applied electric field opens avenues for advanced ferroelectric devices, including bio-medical chirality sources and opto-plasmonic devices.Finally, based on the analysis of the modeling results and experimental data, we examine polarization structures in uniaxial and multiaxial ferroelectrics, linking their topological polarization states to their properties, particularly electrical conductivity and anisotropy. This approach reveals complex structures in ferroelectricity, fostering advanced theoretical and experimental methods to study topological phenomena in these materials. Our research delves into domain wall networking in the low-conducting uniaxial ferroelectric, to study how complex domain structure forms a domain wall surface with unique saddle-point morphologies, enabling novel dipolar topologies that avoid the emergence of energetically unfavorable bound charges in the absence of free charges that could screen these bound charges. Complementarily, we investigate domain wall networking in strained films of multiaxial ferroelectric, where the concentration of free carriers is high enough to effectively screen the bound charges formed at the domain walls. We found that the reconstructed 3D network of domain walls enhances transport properties and suggests new possibilities for nanoelectronic device design through domain reconfiguration.By linking traditional knowledge of ferroelectrics with their in-depth topological understanding, our research is grounded in the synergy of analytical, simulation, and experimental methods. This approach highlights the transformative impact of topological ferroelectrics in advancing materials science and technology