Faibles pressions partielles d’oxygène (1x10 -7 et 5x10 -7 Torr)

Rappelons que les films de BaTiO3 élaborés sous P(O2) = 1-5x10^-7 Torr sont orientés avec l’axe c perpendiculaire au substrat, sur l’ensemble de l’épaisseur (15-20 nm).

Nous présentons sur la Figure IV-2 les images d’amplitude et de phase PFM enregistrées sur ces échantillons élaborés à 1x10^-7 et 5x10^-7 Torr.

Figure IV-2.Images PFM (amplitude, phase et phase après délai) des deux hétérostructures BaTiO3/SrTiO3/SiO2/Si avec BaTiO3 réalisés à 450°C, sous une pression d’oxygène de 1 et 5x10^-7 Torr. Les tensions de polarisation sont indiquées en rouge dans la première colonne. Mesures réalisées à l’INL.

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L’échantillon élaboré à P(O2)= 5x10^-7 Torr présente des domaines qui vibrent à la même amplitude. De plus, on visualise très bien les parois de domaines qui elles ne vibrent pas (zones claires). Il n’y a pas d’effet électrostatique (effet de charge) sur cette image. L’image de phase révèle un contraste d’environ 150° entre les domaines de polarité inverse au lieu d’une valeur de 180°. Par ailleurs, les domaines sont stables dans le temps puisqu’après un délai de 30 à 45 min nous observons les domaines qui sont toujours bien contrastés, signe que le motif écrit n’est pas dû à un effet de charge électrostatique.

Ce même échantillon a été mesuré à Oak Ridge National Laboratory. Les images après écriture et renversement de domaines sont données sur la Figure IV-3. L’image de phase indique un déphasage de 180° lorsque la tension appliquée est inversée. La valeur de 150° mesurée à l’INL semble donc liée au montage expérimental. Il se pourrait que la mesure réalisée soit parasitée par un bruit de fond dépendant de la fréquence, probablement causé par la résonnance mécanique de la tête du microscope, comme cela a été expliqué par Jungk et al. [24]-[26]. Une autre hypothèse est liée à la position du laser sur le cantilever [27]: lorsque le laser est réglé juste au-dessus de la pointe, la réponse PFM est la meilleure (domaines opposés proches de 180° et de même amplitude), un écart à cette position entraine des variations de contraste comme c’est le cas pour cet échantillon.

Figure IV-3. Images PFM d’amplitude et de phase de l’hétérostructure BaTiO3/SrTiO3/SiO2/Si étudiée en Fig.IV-1. (BaTiO3 réalisé à 450°C et P(O2)=5x10^-7 Torr). L’échantillon a été polarisé avec la séquence 5V/+5V/5V. Les profils d’amplitude et de phase ont été reportés sous les images correspondantes. Mesures réalisées à ORNL.

Des mesures spectroscopiques de cycles d’hystérésis piézoréponse ont été réalisées par la méthode BEPS (band excitation piezoresponse force spectroscopy), qui consiste à substituer la tension VAC de lecture par un signal « band excitation » centré sur la fréquence de résonnance du cantilever (cf. Chapitre II) [28]. Le cycle présenté sur la Figure IV-4 a été

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réalisé en mode rémanent (lecture de la réponse après chaque impulsion de tension). Il correspond à la moyenne de 100 cycles mesurés en différents endroits d’une surface de 4x4 μm² selon le quadrillage visible sur l’image de topographie (en insert).

Le cycle d’hystérésis est fermé et saturé, et présente des points d’inflexion consistants avec ce qui est attendu lors du renversement d’une polarisation ferroélectrique. Nous observons un décalage du signal (asymétrie) le long de l’axe vertical, témoignant d’un phénomène d’imprint vertical. L’amplitude de la polarisation à saturation est plus faible lorsque la tension est positive, c’est à dire lorsque la polarisation pointe vers le bas. Ce phénomène est d’autant plus marqué que l’épaisseur de la couche est fine comme nous le verrons dans le paragraphe suivant [29]-[31].

Figure IV-4. Cycle d’hystérésis piézoréponse (piézoréponse = amplitude x cos(phase)) de l’hétérostructure pour laquelle BaTiO3 a été réalisé sous P(O2)=5x10^-7Torr. 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 réalisés les cycles. Mesure réalisée à ORNL.

Pour l’échantillon réalisé à P(O2)= 1x10^-7 Torr, des domaines peuvent également être écrits et renversés de façon réversible. Nous attribuons le contraste d’amplitude visible entre les domaines de polarités inverses à un effet électrostatique (effet de charges en surface). Le contraste de phase entre les domaines est de l’ordre de 80°. Les mesures spectroscopiques obtenues à l’INL sur cet échantillon (Figure IV-5) indiquent cependant une valeur ∆ϕ de 180°. La forme et le sens des cycles mesurés pour l’amplitude et la phase sont ceux attendus pour un échantillon ferroélectrique.

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Figure IV-5. Cycles d’hystérésis de l’amplitude et de la phase en fonction de la tension appliquée de l’hétérostructure pour laquelle BaTiO₃ a été réalisé sous P(O₂)=1x10^-7 Torr. Les flèches indiquent le sens de la polarisation. Mesures réalisées à l’INL.

L’ensemble des résultats obtenus en PFM sur les hétérostructures élaborées à faible pression d’oxygène, ainsi que leur caractérisation structurale (structure tétragonale, orientation axe c), indiquent que BaTiO3 (15-20 nm) est ferroélectrique. Les contrastes d’amplitude et de phase dans les zones non polarisées semblent indiquer que les échantillons « tels que déposés» ne sont pas polarisés selon une direction unique (mono-domaine). Il est possible que la taille des domaines soit trop faible pour pouvoir imager les domaines up et down. Un résultat similaire a été obtenu pour des films de 8-40 nm épitaxiés sur SrTiO3/Si [1]. Ce comportement diffère de celui obtenu sur substrat de Ge(100). Il a été observé par microscopie électronique en transmission (en mode HAADF) que des films de BaTiO3 (16 nm), élaborés par MBE sur une couche tampon de SrTiO3 de 2 nm sur Ge, et orientés axe c, présentent une orientation unique de la polarisation, qui pointe vers l’interface SrTiO3/Ge [90]. La modélisation réalisée par ce même groupe prévoit aussi une telle orientation [90]. Sur GaAs, La polarisation de films de BaTiO3 (7.5 nm) déposés sur une couche tampon de 0.8 nm de SrTiO3 pointe vers l’interface SrTiO3/GaAs comme l’indique les images de PFM [33]. La différence notoire entre les dépôts réalisés sur SrTiO3/Si(001) et ceux sur SrTiO3/Ge(100) ou SrTiO3/GaAs(100) est la présence d’un oxyde amorphe d’interface pour le dépôt sur Si alors qu’il n’y en a pas sur Ge et GaAs.

Il serait intéressant de creuser cet aspect pour comprendre l’absence de polarisation monodomaine sur Si et y remédier.

On peut noter que, pour les mesures locales de cycles d’hystérésis (Figure IV-4), la polarisation est renversée pour des tensions de l’ordre de -1.8V et +2V, alors que pour des films d’épaisseur similaire (16 nm) [1], mais comprenant un mélange d’orientation c et a, la tension requise pour renverser la polarisation dans la direction verticale est beaucoup plus importante, de l’ordre de -10 V et +6V. Dans ce cas, il se peut que le renversement de domaines à 90° (axe a) soit impliqué.

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