Stabilisation de l'antiferroélectricité dans les films minces d'oxydes

Tailoring antiferroelectricity in oxide thin films

• Auteur / Autrice : Krina Parmar
• Direction : Vincent Garcia
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert, CNRS, Thales, Université Paris Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Ferroélectriques

AntiFerroélectriques

Les films minces épitaxiés

Ferroelectric state

Antiferroelectric state

Epitaxial films

Résumé

Dans les matériaux ferroélectriques, les dipôles électriques s'ordonnent parallèlement les uns aux autres, ce qui donne lieu à une polarisation électrique macroscopique qui peut être commutée par un champ électrique externe. Ces matériaux sont utilisés comme mémoires non volatiles dans lesquelles l'information est codée par la direction de la polarisation (vers le haut ou vers le bas). Lorsque l'épaisseur du film ferroélectrique atteint quelques nanomètres, l'inversion de la polarisation ferroélectrique peut produire des changements importants de la transmission tunnel, et donc une simple lecture résistive de l'état de polarisation ferroélectrique. En outre, ces jonctions tunnel ferroélectriques peuvent être utilisées comme des memristors (mémoires résistives analogiques) car la polarisation s'inverse par la nucléation et la croissance de domaines ferroélectriques. Nous avons démontré que ces memristors peuvent imiter le comportement des synapses dans les réseaux neuronaux artificiels. Notre défi est maintenant de trouver des matériaux similaires qui pourraient reproduire le comportement des neurones afin de construire des réseaux de neurones artificiels sur une puce. Les mémoires résistives volatiles basées sur des jonctions tunnel antiferroélectriques permettraient cette fonctionnalité. Dans les matériaux antiferroélectriques, chaque dipôle électrique voisin est disposé de manière antiparallèle, ce qui se traduit par une polarisation nette nulle. L'application d'un champ électrique à ces matériaux induit une transition de phase vers un état ferroélectrique. Cette thèse visera à explorer la physique des matériaux antiferroélectriques en couches minces et leur intégration dans des dispositifs neuromorphiques fonctionnels. L'archétype antiferroélectrique est le PbZrO3 et nous avons déjà fait des progrès récents dans la croissance et la démonstration d'un état antiferroélectrique dans les films minces épitaxiés de PbZrO3. Néanmoins, l'état antiferroélectrique disparaît à de faibles épaisseurs de film. Nous explorerons de nouvelles stratégies pour stabiliser l'antiferroélectricité grâce à la déformation épitaxiale, ainsi que des matériaux antiferroélectriques alternatifs, en vue de la réalisation de jonctions tunnel antiferroélectriques. Cette thèse porte sur la science des matériaux (croissance de couches minces, caractérisations structurales et physiques, transport électronique...) et fait partie d'un projet collaboratif dans le cadre des ''Programmes et équipements prioritaires de recherche'' récemment lancés. Le projet regroupe deux laboratoires de Paris-Saclay : Unité mixte de Physique CNRS-Thales (Vincent Garcia), et C2N (Thomas Maroutian).

In ferroelectrics, electric dipoles order parallel to each other, giving rise to a macroscopic electric polarization that is switchable by an external electric field. These materials are used as non-volatile memories in which information is encoded by the direction of the polarization (either up or down). When the ferroelectric film thickness reaches few nanometers, reversing the ferroelectric polarization can produce large changes of the tunnel transmission, and hence a simple resistive readout of the ferroelectric polarization state1 . Moreover, these ferroelectric tunnel junctions can be used as memristors (analog resistive memories) as polarization reverses via the nucleation and growth of ferroelectric domains . We demonstrated that such memristors can mimic the behavior of synapses in artificial neural networks3 . Now, our challenge is to find similar materials that could reproduce the behavior of neurons to build artificial neural networks on a chip. Volatile resistive memories based on antiferroelectric tunnel junctions would enable this functionality4 . In antiferroelectrics, each neighboring electrical dipole arrange in an antiparallel manner, resulting in zero net polarization. Applying an electric field to these materials induce a phase transition to a ferroelectric state. This PhD will aim at the exploration of the physics of antiferroelectric materials in thin films and their integration in functional neuromorphic devices. The archetypal antiferroelectric compound is PbZrO3 and we have already made recent progress in the growth and the demonstration of an antiferroelectric state in PbZrO3 epitaxial thin films5 . Nevertheless, the antiferroelectric state disappears at low film thicknesses. We will explore novel strategies to stabilize antiferroelectricity thanks to epitaxial strain, as well as alternative antiferroelectric materials, on the way to the realization of antiferroelectric tunnel junctions. This PhD involves materials science (thin film growth, structural and physical characterizations, electronic transport ) and is part of a collaborative project within the recently launched “Programmes et équipements prioritaires de recherche”. The project gathers two laboratories from Paris-Saclay: Unité mixte de Physique CNRS-Thales (Vincent Garcia), and C2N (Thomas Maroutian).