Effet de la température de croissance sur les propriétés ferroélectriques

Dans cette section, nous présentons les résultats de PFM obtenus pour les 5 échantillons de BaTiO3/( 4 nm)SrTiO3/SiO2/Si dont la couche de BaTiO3 a été réalisée sous une pression d’oxygène P(O2)=1x10^-7 Torr pour des températures comprises entre 410°C et 580°C. Les propriétés cristallines de ces échantillons sont décrites dans le chapitre III (paragraphe III).

Nous présentons sur la Figure IV-7, les images PFM de l’amplitude, de la phase et de la phase après un délai de 30 à 45 minutes des échantillons élaborés à 410, 440 et 480°C. Nous avons montré qu’à ces températures, BaTiO3 est orienté avec l’axe c perpendiculaire au substrat. A 410°C, nous avons de plus observé une composante amorphe importante.

Figure IV-7. Images PFM (amplitude, phase et phase après délai) des hétérostructures BaTiO3/SrTiO3/SiO2/Si avec BaTiO3 élaboré à 410, 440 et 480°C (P(O2) = 1x10^-7 Torr). Les tensions de polarisation sont indiquées en rouge dans la première colonne. Les échantillons réalisés à 410°C et 440°C n’ont été polarisés que sur deux carrés.

Les films de BaTiO3 élaborés à 410°C et 480°C ont été polarisés en appliquant des tensions de ±6V. Pour ces valeurs de tension, nous avons constaté une modification de la topographie liée à l’oxydation du substrat de silicium (Figure IV-8.). Cela signifie que la tension appliquée

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génère des courants de fuite dans la couche de BaTiO3.En travaillant à des tensions plus faibles, il n’a pas été possible d’écrire de motifs bien définis et stables : dès la première lecture, le signal PFM est très faible et il s’atténue jusqu’à disparaître lors des lectures suivantes. Il est donc difficile d’interpréter les images obtenues pour ces deux échantillons.

Figure IV-8. Images de topographie des échantillons réalisés à 410 et 480°C et polarisés avec des tensions de ±6V – la topographie est modifiée après les expériences d’écriture de domaines

Pour le film de BaTiO3 élaboré à 440°C un contraste d’amplitude entre les domaines polarisés positivement et négativement est observé. Les images de phase montrent que les domaines écrits s’estompent après un délai de 30 à 45 minutes.

Au regard des résultats de PFM obtenu sur ces trois échantillons il est difficile d’attester de la présence d’une composante ferroélectrique dans ces films.

En revanche, les échantillons élaborés à 500°C et 525°C présentent une réponse en imagerie et en mesures spectroscopiques qui indique la ferroélectricité de BaTiO3.

Nous présentons les images PFM obtenues à l’INL sur la Figure IV-9. Les images enregistrées à ORNL - afin de confirmer les résultats obtenus sur l’une des hétérostructures (525°C) - sont données sur la Figure IV-9. Nous voyons des domaines bien définis, qui vibrent avec des amplitudes proches et des parois de domaines qui ne vibrent pas (un effet de charge de surface est observé pour les mesures de la Fig. IV-9). Les domaines de polarités inverses possèdent des phases opposées de ~180° et qui sont stables après un délai de 30 à 45 minutes malgré une légère diminution du contraste.

Nous avons reporté en Figure IV-11 et Figure IV-12 les cycles d’hystérésis mesurés respectivement à l’INL et à ORNL sur l’hétérostructure avec BaTiO3 élaboré à 525°C. La différence de phase entre les deux états de polarisation opposée est proche de 180°.

Nous observons sur le cycle de piézoréponse en Figure IV-12, un décalage des valeurs le long de l’axe vertical, comme nous l’avions également vu sur la Figure IV-4. Ce phénomène

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d’imprint sera commenté dans la section consacrée aux effets de taille dans la dernière partie de ce chapitre.

Figure IV-9. Images PFM (amplitude, phase et phase après délai) des films de BaTiO3 réalisés à 500 et 525°C (P(O2) = 1x10^-7 Torr). Les tensions de polarisation sont indiquées en rouge dans la première colonne. Mesures réalisées à l’INL.

Figure IV-10. Images PFM (ONRL) d’amplitude et de phase du film de BaTiO3/SrTiO3/SiO2/Si réalisé à 525°C et P(O₂) =1x10^-7 Torr. L’échantillon a été polarisé avec la séquence 5V/+5V/5V sur des régions de taille 6x6, 4x4 et 2x2 μm² respectivement. Les profils d’amplitude et de phase ont été reportés sous les images correspondantes. Mesures réalisées à ORNL.

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Figure IV-11. Cycles d’hystérésis de l’amplitude (à gauche) et de la phase (à droite) en fonction de la tension appliquée pour l’échantillon réalisé à 525°C (P(O2) = 1x10^-7 Torr). Les flèches indiquent le sens de la polarisation. Mesures réalisées à l’INL.

Figure IV-12. Cycle d’hystérésis piézoréponse du film de BaTiO₃ réalisé à 525°C. Chaque point résulte de la moyenne sur 100 points de mesure (10x10) sur une surface de 4x4 μm². L’image topographique de la surface avant les cycles est reportée en insert Le quadrillage permet de localiser les 100 points où ont été réalisées les mesures. Mesure réalisée à ORNL.

En conclusion, nous avons clairement mis en évidence la ferroélectricité de BaTiO3 pour les films élaborés à 500°C et 525°C. Dans le chapitre précédent, nous avons montré que le paramètre hors plan devient comparable et même inférieur au paramètre dans le plan pour les films de BaTiO3 élaborés respectivement à 500 et 525°C. Le film élaboré à 525°C est majoritairement orienté avec l’axe a perpendiculaire à la surface. Les mesures GPA réalisées sur cet échantillon ont montré que les grains orientés axe a coexistent avec des grains orientés axe c de forte tétragonalité ( 1.02). C’est probablement le renversement de la polarisation de ces domaines à 180° (cristallites axe c) que nous observons en majorité. Le renversement de domaines à 90° (grains axe a) ne peut pas être exclu mais semble peu probable au regard des tensions requises pour le renversement de la polarisation (~ ±2 V), similaire à celle requises pour des films orientés uniquement axe c (Figure IV-3).

Les images PFM ne nous ont pas permis de conclure pour les films élaborés à 440 et 480°C. Nous n’avons pas eu le temps de dupliquer ces expériences. Cependant, les films élaborés dans ces conditions sont orientés axe c et devraient donc être ferroélectriques, si l’on considère les résultats obtenus dans la section précédente (films élaborés à 450°C sous 1 et 5x10^-7 Torr).

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