Ingénierie de la déformation dans des membranes ferroélectriques flexibles

Strain engineering in flexible ferroelectric membranes

• Auteur / Autrice : Alban Degezelle
• Direction : Thomas Maroutian
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Membranes

Films minces d'oxydes

Ferroélectricité

Epitaxie

Ferroelectrics

Oxide thin films

Epitaxy

Freestanding membranes

Strain

Flexoelectricity

Résumé

Les matériaux ferroélectriques sont des matériaux fonctionnels présentant une polarisation électrique spontanée qui peut être inversée par un champ électrique externe. Leurs propriétés uniques sont intéressantes pour de nombreuses applications, par exemple les mémoires à faible puissance et les dispositifs bio-inspirés. Parmi les ferroélectriques, les oxydes complexes ont des propriétés ferro-, piézo- et flexo-électriques exceptionnelles, comme l'archétype BaTiO3 ou le multiferroïque BiFeO3 combinant des propriétés ferroélectriques et antiferromagnétiques. La plus haute qualité cristalline sous forme de film mince est obtenue par la croissance par épitaxie sur des substrats d'oxydes monocristallins. La contrainte épitaxiale imposée par le substrat permet d'ajuster les propriétés du film mince, d'un changement de la polarisation ferroélectrique à la stabilisation de nouvelles structures en domaines ferroélectriques ou même de nouvelles phases cristallines. Cependant, la déformation épitaxiale est limitée en pratique à quelques %, afin d'assurer la correspondance cristalline entre le film et le substrat. Ce projet propose d'explorer des états de déformation plus élevés en transférant tout l'empilement fonctionnel électrode / ferroélectrique / électrode de son substrat parent vers des substrats de silicium micro-texturés ou des polymères flexibles, grâce à l'utilisation de couches sacrificielles d'oxyde ou de nano-feuillets bidimensionnels (2D). Cette approche donnera accès à une déformation accordable, statique ou dynamique, dans une gamme hors de portée des procédés de croissance épitaxiale.

Ferroelectric materials are functional materials with a remnant spontaneous electric polarization that can be reversed by an external electric field. Their unique properties are considered for many applications, e.g., low-power memories and bio-inspired devices. Among ferroelectrics, complex oxides have outstanding ferro-, piezo- and flexo-electric properties, such as archetypal BaTiO3 or multiferroic BiFeO3 combining ferroelectric and antiferromagnetic properties. Highest crystalline quality in thin film form is obtained through the growth by epitaxy on single crystalline oxide substrates. Then, epitaxial strain imposed by the substrate allows for a tuning of the thin film properties, from a change of the ferroelectric polarization to the stabilization of new ferroelectric domain structures or even of new crystalline phases. Still, epitaxial strain is limited in practice to a few %, to insure lattice matching between film and substrate. This project proposes to explore higher strain states in transferring the functional electrode / ferroelectric / electrode stack from its parent substrate onto micro-patterned silicon substrates or flexible polymers, thanks to the use of oxide sacrificial layers or bidimensional (2D) nanosheets. This approach will give access to tunable strain, static or dynamic, in a range unachievable for epitaxial growth processes.