Effet des conditions de dépôt sur la croissance des couches TTB-Nd/Pt/Si(100)

Dans cette partie l’effet de la pression d’oxygène dans la chambre de dépôt sur l’obtention des couches TTB-Nd polycristallines et hautement orientées selon l’axe c est exploité. La Figure 49 montre les diffractogrammes des rayons X obtenus pour des couches minces TTB-Nd déposées sur des substrats de Pt/Si(100) pour différentes pressions d’oxygène – 1 mTorr et 10 mTorr –. Pendant ces dépôts, la température du substrat est fixée à 750 °C, qui est la température optimale pour le dépôt des couches minces épitaxiées de TTB-Eu sur des substrats NSTO(100) ainsi que pour les couches minces hautement orientées de TTB-Ln sur des substrats Pt/Si(100).

Figure 49 : Diffractogrammes des rayons X démontrant l’effet de la pression d’oxygène (1 mTorr, 10 mTorr) sur la structure cristalline et la croissance des couches minces orientées TTB- Nd/Pt/Si(100). L’encart de cette Figure est caractéristique de la présence du pic (107) de l’hexaferrite de baryum (BaFO) qui chevauche le pic (311) de la phase principale TTB-Nd. Tableau 12 : Paramètres de maille et volume de la maille élémentaire de la structure TTB-Nd en fonction de la pression d’oxygène.

Paramètre de maille a (Å) c (Å) V (Å3₎

1 mTorr 12,44 3,96 612

10 mTorr 12,45 3,96 613

L’analyse des patrons de diffraction de la Figure 49 montre que la phase ferroélectrique TTB-Nd est bien cristallisée pour toutes les couches minces déposées à différentes pressions d’oxygène. En se basant sur cette étude, nous constatons que la diminution de la pression d’oxygène promeut l’apparition d’une croissance orientée des couches TTB-Nd parallèlement à l’axe cristallographique c. Ceci est en bon accord avec ce qui a été démontré pour des couches minces de CBN de structure TTB et de formulation CaxBa1-xNb2O6 [116] et illustre l’effet important de la

pression d’oxygène sur le mécanisme de croissance des couches minces TTB-Nd. En effet, la pression de gaz (oxygène dans ce cas particulier) pendant le dépôt contrôle l'énergie cinétique des particules ablatées, modifiant leur mobilité sur la surface du substrat [117–120]. Lors du dépôt en présence d’une pression d'oxygène relativement élevée (10 mTorr dans notre cas), l'énergie cinétique des particules ablatées diminue en raison des collisions multiples avec les molécules d'oxygène du gaz ambiant avant d'atteindre la surface du substrat. Dans ce cas, la couche est formée à partir des particules de faible énergie qui arrivent sur la surface de substrat sous une variété d’angles, dont des angles obliques, et qui s'arrêtent rapidement dans des sites surfaciques de manière aléatoires, donnant lieu à une couche plus polycristallines. En revanche, les particules ablatées à plus basse pression d'oxygène arrivent sur le substrat avec des énergies plus élevées, ce qui – vu leur mobilité plus grande – leur permet de parcourir des distances plus longues sur la surface du substrat pour atteindre des sites ayant une énergie potentielle plus faible, ce qui résulte en un degré d'orientation plus élevé. D’un autre côté, le dépôt des couches CBN (de structure TTB) à pression d’oxygène nulle (zéro mTorr) donne des couches contenant une concentration importante en défauts d’oxygène, ce qui affecte énormément leur structure [116]. Par conséquent, il semble que 1 mTorr est la pression optimale pour obtenir des couches TTB hautement orientées selon l’axe c sur des substrats Si(100). L’analyse du patron de diffraction des couches déposées à 1 mTorr montre que les pics qui représentent la famille de plan (001) et (002) – situés respectivement à 2θ ≈ 22,43° et 2θ ≈ 45,72° – sont caractérisés par une intensité nettement plus importante que celle des pics représentatifs de la famille de plans (211) et (311) – situés respectivement à 2θ ≈ 27,58° et 2θ ≈ 32,07° –. Ceci montre en premier lieu que les couches synthétisées à 1 mTorr sont hautement orientées parallèlement à l’axe c de la structure quadratique de la phase TTB-Nd et perpendiculairement au plan de substrat. En second lieu, la présence des pics (211) et (311) avec des intensités faibles montre la présence d’une faible contribution polycristalline qui réside probablement au niveau des joints de grains. Le tableau 12 rassemble les paramètres de maille ainsi que le volume de la maille élémentaire des couches minces TTB-Nd en fonction de la pression d’oxygène. Cette estimation montre que quand la pression d’oxygène diminue – c’est-à-dire que la croissance orientée commence à avoir lieu – les paramètres de maille dans le plan diminuent pendant que celui hors plan augmente.

Dans le diffractogramme de rayons X des couches minces déposées à une pression de 1 mTorr, nous distinguons un pic qui chevauche le pic représentatif de la famille des plans (311) de la

phase TTB-Nd, voir encart de la Figure 49. Ce pic représente la famille des plans (107) de la phase d’hexaferrite de baryum, le pic le plus intense de la forme polycristalline de cette phase selon la fiche de référence (JCPDS 00-007-0276). En outre, le pic qui représente la phase BaFO devrait être présent également dans le diffractogramme de rayons X des couches minces synthétisées à 10 mTorr. En effet, les mesures magnétiques macroscopiques – qui vont être discutées plus tard – confirment la présence de la phase secondaire BaFO pour tous les échantillons. Néanmoins, dû à l’intensité importante du pic (311) pour les couches minces polycristallines il est difficile de distinguer le pic de la phase BaFO. Par conséquent, cette observation montre que l’on a bien présence d’une phase secondaire magnétique de BaFO. Par ailleurs, les couches minces composites synthétisées par ablation laser pulsé se comportent – du point de vue de leur structure – de la même façon que les matériaux céramiques utilisés comme cibles pendant le dépôt de ces couches minces [1].