Electromechanical control of ferroelectric domains in Pb(Zr,Ti)O3 and BiFeO3 thin films
Contrôle électromécanique des domaines ferroélectriques sur couches minces de Pb(Zr,Ti)O3 et BiFeO3
Résumé
Ferroelectric materials show a spontaneous polarization that can be switched by applying an electric field. This polarization at the nanoscale is ordered in regions called ferroelectric domains. Recently, it has been reported that domains can also be controlled by a mechanical stimulus. This work is focused on the study of domains with atomic force microscopy (AFM) and derived techniques such as piezoresponse force microscopy (PFM), which allows for the application of electrical and mechanical stimuli. In this context, two different ferroelectric materials belonging to the family of perovskites were considered: Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) and BiFeO3 (BFO). PZT allowed for the study of the distribution of out-of-plane domains and the parameters affecting electrical and mechanical switching, such as different synthesis methods, different atmospheres and different thicknesses. The results illustrated the successful tuning of the threshold force needed to mechanically switch ferroelectric domains. Meanwhile, BFO allowed for the study of an in-plane polarization and its manipulation by trailing fields. These results were affected by AFM tip contamination, which was observed by switching spectroscopy PFM. Since AFM and PFM are surface techniques, this work was complemented by structural analysis of the sample using techniques such as x-ray diffraction (XRD), scanning transmission electron microscopy (STEM) or Rutherford backscattering spectrometry (RBS).
Les matériaux ferroélectriques montrent une polarisation spontanée qui peut être basculée par l’application d’un champ électrique. Cette polarisation à l’échelle nanométrique est localisée dans des régions appelées domaines ferroélectriques. Récemment, il a été rapporté que les domaines peuvent être contrôlés par une stimulationmécanique. Ce travail est centré sur l’étude des domaines au moyen de la microscopie à force atomique (AFM) et des techniques dérivées comme la microscopie à force piézoélectrique (PFM), qui permet l’application simultanée des stimulations électriques et mécaniques. Dans ce contexte, deux matériaux ferroélectriques différents ont été considérés : Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) et BiFeO3 (BFO). PZT a permis l’étude de la distribution des domaines hors du plan et des paramètres qui affectent leurs basculements électrique et mécanique, comme l’influence de la méthode de synthèse sur les propriétés ferroélectriques d’un matériau de même composition, ainsi que de l’atmosphère de mesure (humidité) et de l’épaisseur de l’échantillon. Nos résultats montrent qu’il est possible de contrôler la force nécessaire pour faire basculer mécaniquement les domaines. En parallèle, BFO a permis l’étude de la polarisation dans le plan et sa manipulation avec la composante du champ électrique localisée dans le plan de l’échantillon. Nous avons mis en évidence par la spectroscopie à commutation PFM (SS-PFM) un phénomène de contamination de la pointe qui rend l’interprétation des mesures difficile. Puisque l’AFM et la PFM sont des techniques de surface, ce travail a été complété par des analyses structurales des échantillons en utilisant des techniques comme ladiffraction des rayons X (x-ray diffraction, XRD), la microscopie électronique en transmission à balayage (scanning transmission electron microscopy, STEM) et la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford (Rutherford backscattering spectrometry, RBS).
Origine : Version validée par le jury (STAR)