Excitations topologiques dans les nanoparticules ferroélectriques

Topological excitations in ferroelectric nanoparticles

• Auteur / Autrice : Franco Di rino
• Direction : Igor A. Luk'yanchuk, Marcelo Sepliarsky
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Physique de la Matière Condensée-25DPH3
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 10/04/2024
• Etablissement(s) : Amiens en cotutelle avec Universidad Nacional de Rosario
• 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 : Daoud Mezzane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Igor Lukyanchuk, Marcelo Sepliarky, Anna Razumnaya, María José SáNCHEZ
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : María José SáNCHEZ, Daoud Mezzane

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux ferroélectriques

Échelle nanométrique

Topologie

Calculs ab-initio

Modèle core-shell

Dynamique moléculaire

Ferroelectrics

Ab-initio calculations

Topology

Core-shell model

Nanoscale

Molecular dynamics

Résumé

L’objectif de cette thèse est de contribuer à la connaissance des structures polaires émergentes en nanostructures ferroélectriques et piézoélectriques et aux mécanismes impliqués dans la stabilisation des différentes excitations topologiques. En utilisant des nanoparticules de titanate de plomb (PbTiO3) comme prototype, on a étudié les effets de surface, de forme et de taille finie sur leur comportement. Au cours du développement de la thèse, des simulations numériques ont été réalisées principalement par la méthode de dynamique moléculaire avec un modèle atomistique “core-shell” . En outre, les calculs au niveau atomique ont été combinés avec des calculs analytiques et des simulations “phase field”. La synergie de la combinaison de trois approches différentes a permis de tirer parti des points forts de chacune des descriptions pour obtenir une description à plusieurs échelles du problème, en obtenant des résultats nouveaux et très fiables. Le travail de thèse est divisé en sept chapitres organisés comme suit: Le chapitre 1 introduit le concept de ferroélectricité, et met en contexte le travail actuel à travers un résumé historique des recherches sur ces matériaux tant en volume qu’en faible dimension. Le chapitre 2 développe brièvement les modélisations principalement utilisées dans l’étude théorique des composés ferroélectriques. Le chapitre 3 développe la méthode de dynamique moléculaire utilisée pour la réalisation des simulations atomiques de cette thèse. Le chapitre 4 présente les résultats de l’étude de la topologie du champ de polarisation dans les nanoparticules isolées de PbTiO3 avec des formes cylindriques, sphériques et ellipsoïdales à travers des simulations avec un modèle atomistique. Il montre la riche variété de configurations topologiques rencontrées et décrit, pour chaque géométrie, la série de transformations que subit le champ de polarisation avec la variation de l’aspect ratio. Les résultats permettent de conclure que la stabilisation des états dépend fortement de l’aspect ratio et non de la géométrie des particules. En outre, des valeurs locales d’énergie, de volume et de tension ont été définies et ont fourni des informations importantes sur le comportement des nanodisques de même diamètre que de hauteur. Le chapitre 5 présente les résultats de l’étude des nanofils unidimensionnels de PbTiO3 sous déformation. Le travail, qui a été réalisé en combinant des simulations de ``phase field'' utilisant le fonctionnel Ginzburg-Landau-Devonshure et des simulations atomiques à l’aide d’un modèle de couches, a permis d’obtenir un diagramme de phases de déformation-température qui a révélé de nouvelles phases liées aux effets de dépolarisation considérés : la phase de vortex, qui a la polarisation perpendiculaire à l’axe du fil, et la phase chirale d’hélice, qui entre la phase de vortex et la phase uniforme c, parallèle à l’axe du câble, précédemment connu. Le chapitre 6 présente les résultats de l’étude de l’impact de la tension superficielle sur les propriétés des matériaux ferroélectriques nanométriques. À partir de simulations réalisées à l’aide d’un modèle atomique, on a pu estimer les coefficients de tension de surface pour le diélectrique BaZrO3 et le ferroélectrique PbTiO3, qui sont requis pour l’analyse des effets de la tension superficielle sur les propriétés des nanoparticules. Puis, grâce à la combinaison de calculs analytiques, simulations de “phase field'' utilisant le fonctionnel GLD et des simulations atomiques a permis de montrer l’apparition d’états topologiques de polarisation produits par cet effet sur les nanobarres ferroélectriques unidimensionnelles et, à partir de là, construire un diagramme de phase radio-température correspondant pour le PbTiO3. Le chapitre 7 présente les conclusions et les perspectives de ce travail.

The goal of this thesis is to contribute to the understanding of emerging polar structures in ferroelectric and piezoelectric nanostructures and the mechanisms involved in stabilizing different topological excitations. Using lead titanate (PbTiO3) nanoparticles as a prototype system, surface, shape, and finite-size effects on their behavior were studied. Throughout the thesis, numerical simulations were primarily conducted using molecular dynamics with a core-shell model. Additionally, atomic-level computations were combined with analytical calculations and phase field simulations. The synergy of combining three different approaches allowed leveraging the strengths of each description to obtain a multiscale understanding of the problem, achieving novel and highly reliable results. The thesis is divided into seven chapters organized as follows: In Chapter 1, the concept of ferroelectricity is introduced, and the current work is contextualized through a historical summary of research on these materials in both bulk and low dimensions. In Chapter 2, the most commonly used models in the theoretical study of ferroelectric compounds are briefly developed. In Chapter 3, the molecular dynamics method used for the atomistic simulations in this thesis is elaborated. In Chapter 4, the obtained results of investigating the polarization field topology in isolated PbTiO3 nanoparticles with cylindrical, spherical, and ellipsoidal shapes are presented. The rich variety of topological configurations found is described for each geometry, highlighting the series of transformations the polarization field undergoes with changes in the aspect ratio. The results conclude that the stabilization of states strongly depends on the aspect ratio, not the geometry of the particles. Local values of energy, volume, and stress were defined, providing important information about the behavior of nanodisks with equal diameter and height. In Chapter 5, the results of studying one-dimensional PbTiO3 nanowires under deformation are presented. The work, which combined phase field simulations using the Ginzburg-Landau-Devonshire functional and atomistic simulations using a layered model, allowed obtaining a deformation-temperature phase diagram revealing new phases related to the considered depolarization effects: the vortex phase, with polarization perpendicular to the wire axis, and the chiral helix phase, mediating between the vortex phase and the uniform c phase parallel to the wire axis, previously known. In Chapter 6, the results of studying the impact of surface tension on the properties of nanoscale ferroelectric materials are presented. Using an atomistic model, the surface tension coefficients for the dielectric BaZrO3 and the ferroelectric PbTiO3 were estimated, which are required for the analysis of the surface tension effects on nanoparticle properties. Subsequently, through a combination of analytical calculations, phase field simulations using the GLD functional, and atomistic simulations, the appearance of topological polarization states produced by this effect in one-dimensional ferroelectric nanorods was shown, and a corresponding radius-temperature phase diagram for PbTiO3 was constructed. In Chapter 7, the conclusions and prospects of this work are presented.