La directive européenne RoHS de 2002 prévoit l’interdiction progressive des composés à base de plomb. Or les matériaux piézoélectriques qui présentent le couplage ferroélectrique-ferroélastique le plus fort et qui sont à ce titre largement utilisés en tant que capteurs piézoélectriques ou plus récemment pour des applications de récupération d'énergie, sont justement à base de plomb. La solution solide Bi1-xGaxFeO3 a donc été explorée à la recherche d’une zone de phase morphotropique. Deux phases ferroélectriques peuvent alors coexister et l'instabilité de la polarisation résultante peut alors améliorer la réponse électromécanique. Des gradients de composition de BGFO-x épitaxiés en films minces ont été déposés par ablation laser sur des électrodes de La0,8Sr0,2MnO3. Ils ont été caractérisés par WDX et RBS. Les structures cristallines ont été déterminées par micro-diffraction des rayon-X. La réponse piézoélectrique d33eff est mesurée à différentes échelles, par PFM (quelques nm) et par interférométrie laser (quelques µm) en fonction du gradient. Au lieu d’une analyse d’un choix de compositions ponctuelles qui risquait de passer à côté de la plus intéressante, la continuité inhérente à la méthode combinatoire a permis de mettre en évidence une augmentation remarquable de la réponse piézoélectrique autour 7 % de Ga, justement au voisinage d’un changement de symétrie. / The European RoHS directive in 2002 predicts a progressive prohibition of lead-based compounds. Or the piezoelectric materials that exhibit the strongest ferroelectric-ferroelastic coupling and are widely used as such as piezoelectric sensors or more recently for energy recovery applications are precisely lead based. The solid solution Bi1-xGaxFeO3 has been explored in search of a morphotropic phase boundary (MPB). Two ferroelectric phases can then coexist and the instability of the resulting polarization can then improve the electromechanical response. Gradients composition BGFO-x epitaxial thin films were deposited by pulsed laser deposition on La0,8Sr0,2MnO3 electrodes. They were characterized by WDX and RBS. The crystal structures were determined by micro X-ray diffraction. The effective piezoelectric response d33eff is measured at different scales, by PFM (a few nm) and by laser interferometry (a few microns) along the gradient. Instead of an analysis of a range of compositions that point might miss the most interesting, the inherent continuity combinatorial method was used to highlight a remarkable increase in piezoelectric response around 7% Ga, precisely in the vicinity of a change of symmetry.

Dans ce travail, nous avons étudié l’effet des contraintes extérieures et des inhomogénéités locales sur les propriétés diélectriques et structurales des cristaux ferroélectriques- relaxeurs à base de plomb PZN-x%PT avec 0%≤x≤12%. Dans une première partie, nous avons déterminé les propriétés diélectriques et structurales du système PZN-6%PT. Pour l’état vierge, ce composé subit la séquence de transition de phase C  T  R, où C, T et R sont, respectivement, les phases cubique, quadratique et rhomboédrique. En appliquant un champ électrique statique, une phase orthorhombique est induite entre les phases T et R. Dans la deuxième partie, nous avons montré la présence d’une anomalie diélectrique à basse température observée sur le PZN-x%PT avec 0%≤x≤12%. Dans ce domaine de température, l’étude structurale ne montre aucune transition de phase. L’ensemble de ces résultats sont interprétés moyennant un modèle basé sur la présence des nano-régions polaires. En troisième partie nous avons déterminé les propriétés diélectriques et piézoélectrique du PZN-12%PT dopé au manganèse dans son état monodomaine. Le dopage affecte, principalement, la permittivité transverse et le coefficient piézoélectrique de cisaillement. Le dopage induit aussi la stabilité de la structure monodomaine et l’effet de mémoire de la microstructure. Ces résultats sont expliqués en utilisant le modèle de symétrie des défauts. Dans la dernière partie, nous nous sommes intéressés à la simulation de l’effet de la présence des dipôles-défaut (dopage) sur les propriétés physiques de BaTiO3. Nous avons mis en évidence l’induction d’un champ électrique interne responsable du décalage du cycle d’hystérésis vers les champs électriques négatifs. / In this work, we studied the effect of external constraints and local inhomogeneities on dielectric and structural properties of the lead-based ferroelectric-relaxor system PZN-x%PT with 0%≤x≤12%. In the first part, we determined phase transformations of [001], [110] and [111] oriented PZN-6%PT single crystals. The un-poled samples undergo C  T  R, phase transitions sequence, where C, T and R, and are rhombohedral, tetragonal and cubic phases, respectively. Under electric field, an intermediate orthorhombic phase is induced between T and R phases. The second part was devoted to the study of the electromechanical and structural properties at cryogenic temperature of the PZN-x%PT system (0%≤x≤12%.). These characterizations show the presence of a dielectric anomaly at low temperatures. In the same temperature range, the structural study does not show any phase transition. These behaviors are interpreted through a model based on the presence of polar nano-regions. In the third part we study the influence of manganese doping on the electromechanical properties of PZN-12%PT single crystal in a single domain state. Doping leads to a decrease of the dielectric transverse permittivity  T 11 and of the shear piezoelectric coefficient d15. This intrinsic effect is discussed by using a volume effect model based on the symmetry conforming principle of point defects. This model explains also the stability of the single domain structure and the memory effect observed during this work. In the last part, we simulated, using molecular dynamics method, the effect of doping (defects-dipoles) on the physical properties of BaTiO3. The introducing of defects-dipoles induces an internal electric field, responsible for the shift of the hysteresis loop.

L’intégration monolithique d’oxydes ferroélectriques sur substrats semi-conducteurs pourrait permettre l'ajout de nouvelles fonctionnalités sur puces de la nanoélectronique. L'utilisation d'un ferroélectrique est en particulier intéressante pour la réalisation de dispositifs à basse consommation d'énergie. Toutefois, leur intégration se heurte à un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques tels que le contrôle de l'interface oxyde/semi-conducteur, l’instabilité de la polarisation ferroélectrique en couches minces ou encore la compatibilité de l'intégration avec les procédés industriels actuels. Les principaux objectifs de ma thèse ont été : l'optimisation de la croissance MBE de BaTiO3 épitaxié sur Si et Si1-xGex en termes de structure cristalline et de propriétés ferroélectriques, l’étude des effets de taille sur la ferroélectricité et le démarrage de l’intégration de BaTiO3 dans des dispositifs à effet de champ. Différentes conditions de croissance sur substrats de silicium, en particulier la température et la pression d'oxygène P(O2), ont été étudiées. Les analyses de diffraction des rayons X (XRD) combinées à des techniques avancées de microscopie électronique en transmission (STEM-HAADF, GPA, EELS) ont permis d'établir une corrélation, à l'échelle locale, entre l'orientation de la maille tétragonale et la composition cationique des films. La ferroélectricité de films orientés axe c, d'épaisseur 16-20 nm, préparés sous des pressions partielles P(O2) de 1-5 x 10-7 Torr, à 450-525°C, et avec un recuit post-dépôt sous oxygène, a été mise en évidence par microscopie à force atomique en mode piézoélectrique (PFM). Nous avons également démontré la ferroélectricité de couches ultra-minces (1.6, 2.0, 2.8, 3.2 et 4.0 nm) par PFM et par des mesures complémentaires de microscopie à force atomique en mode Kelvin (permettant d'exclure un mécanisme d'origine purement électrochimique). Pour 4, 5, 7 et 8 monocouches, l'amplitude de la polarisation pointant vers l'interface supérieure (Pup) est supérieure à celle de la polarisation Pdown. Ceci est attribué à des régions non ferroélectriques ou à des régions polaires dont la polarisation est ancrée aux interfaces. Nous avons ensuite étudié la croissance de BaTiO3 épitaxié sur substrats Si1-xGex, ce qui constitue une approche inédite, particulièrement intéressante pour moduler les contraintes, notamment en vue des futurs transistors. Afin de comprendre l'effet de la présence de Ge, la croissance de BaTiO3 sur Si0.8Ge0.2 contraint sur Si(001) a été étudiée. Le suivi de la croissance in-situ par spectroscopie de photoélectrons X et l’analyse de la structure cristalline et de l’interface par XRD et STEM-HAADF ont révélé l'importance de la préparation du substrat. La passivation de Si0.8Ge0.2 avec des atomes de Ba permet l’épitaxie directe d’un film de BaTiO3 orienté (112), ceci par l'intermédiaire d'une couche d'interface épitaxiée, identifiée comme étant le silicate de structure orthorhombique Ba2SiO4. Ce silicate est épitaxié selon deux orientations dans le plan de Si0.8Ge0.2, ce qui conduit aux deux orientations <110> et <111> observées pour BaTiO3 dans le plan du substrat. Enfin, en collaboration avec IBM Research, une voie d’intégration basse température « gate-last » a été développée pour intégrer les couches minces de BaTiO3 dans des dispositifs à effets de champ sur Si (condensateurs et transistors). Les films de BaTiO3 ont été déposés par MBE sur des substrats pré-structurés. Un procédé approprié a été choisi pour le dépôt de l'électrode TiN et pour la lithographie/gravure. Certains empilements, composés d'une matrice amorphe et de nano-grains dans les structures capacitives, présentent un comportement ferroélectrique (Tc~105°C). Cette première démonstration d’une capacité ferroélectrique de BaTiO3 "quasi-amorphe" sur Si à permittivité relative modérée (~25) et à faible courant de fuite est particulièrement intéressante. [...] / No abstract

L’évolution rapide des communications sans fil a favorisé l’augmentation du nombre de standards alloués aux systèmes de communication fonctionnant sur différentes bandes de fréquences. Pour accompagner les derniers développements de systèmes sans fil, il est indispensable de concevoir des antennes miniatures intégrables. Cependant, la miniaturisation des antennes s’accompagne d’une réduction significative de la bande passante et de leur efficacité de rayonnement ainsi qu’à l’apparition d’un décalage fréquentiel de leurs fréquences de fonctionnement lorsqu’elles sont étudiées dans leur contexte d’utilisation. L’intégration de dispositifs accordables au sein d 'une antenne permet de répondre favorablement à ces problématiques. Parmi les solutions proposées dans la littérature, l’utilisation de matériaux ferroélectriques en couche mince permet de concevoir un condensateur accordable en fonction du champ électrique appliqué. Ces dispositifs réalisés à base de couches minces ferroélectriques ont été développés pour répondre aux exigences particulières et extrêmes des systèmes de télécommunication actuels (miniaturisation, faible coût, facilité de fabrication et d’intégration et bonne tenue en puissance). Cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches sur les antennes reconfigurables en fréquences à base de matériaux ferroélectriques. Deux axes principaux ont été développés au cours de ces travaux de recherche : le développement et la réalisation de condensateurs intégrant un film BST au sein du laboratoire XLIM et leurs caractérisations en hyperfréquence. La seconde partie de nos travaux concerne l’intégration de l’un de ces dispositifs accordables au sein d’une antenne miniature afin d’étudier son accordabilité en fréquence. / The rapid growth of wireless communication has promoted the increase of the number of standards for wireless applications. This progress requests new manufacturing processes of smart devices that are able to work on several frequency bands. However, the miniaturization of antennas is accompanied by a significant reduction of the bandwidth as well as its radiation efficiency and it becomes dependent on its using context. Tunable devices can be integrated within antennas in order to overcome these main issues. Among the solutions proposed in the literature, thin-film ferroelectric materials are used to realize tunable capacitors. The use of such materials allows the design of a tunable capacitor that can be tuned by an applied electric field. The advances of these ferroelectric thin-film devices were developed in order to meet particular and extreme requirements for today's telecommunication systems (miniaturization, low cost, ease of the manufacture process, integration and good power handling). This thesis is part of ongoing research over frequency reconfigurable antennas which are based on ferroelectric materials. Two main axes were developed during this work: The development and realization of capacitors that incorporate a BST film along with their microwave characterizations within XLIM lab. The second part of our work is dedicated to the realization of the complete tunable antenna.

De tous les matériaux multiferroïques, BiFeO3 est celui qui est le plus étudié. C’est un ferroélectrique, antiferromagnétique dont les températures de transition sont bien au-dessus de la température ambiante. De plus, le couplage magnétoélectrique entre ces deux paramètres d’ordre a été observé aussi bien dans les cristaux que dans les couches minces. BiFeO3 possède également la plus grande polarisation ferroélectrique jamais mesurée, 100µC/cm². De gros efforts sont fournis pour comprendre et exploiter les propriétés physiques de ce matériau. Dans ce but, il est important de pouvoir contrôler sa structure en domaines afin d’étudier les phénomènes émergeant aux parois de ces domaines. C’est l’objectif de cette thèse : étudier quelques une des propriétés de BiFeO3, comme la photoélectricité et le magnétisme, tout en prêtant en parallèle une attention particulière à la caractérisation de ces propriétés, dans un domaine et dans une paroi, avec des techniques originales telles que la microscopie de photocourants à balayage (MPB) et le rayonnement synchrotron ou les champs magnétiques intenses. Les images obtenues par MPB, révèlent qu’un champ dépolarisant proche d’une paroi de domaine à 180° peut améliorer de manière significative le rendement des effets photoélectriques : les parois de domaines peuvent être générées et positionnées dans le but de contrôler localement le rendement de l’effet photoélectrique. De plus, l’imagerie de la figure de diffraction de surface d’un réseau de parois de domaines dans des couches minces, par diffusion magnétique résonante de rayons X, permet de montrer que les parois de domaines entraînent la formation de structures magnétiques particulières qui pourraient donner lieu à une aimantation. / Among all multiferroics, BiFeO3 is a material of choice because its two ordering temperatures are well above 300K. It is a ferroelectric antiferromagnet, and magnetoelectric coupling has been demonstrated in bulk and in thin films. Remarkably, BiFeO3 has the largest polarization of all known ferroelectrics (100µC/cm²). A huge research effort is carried out worldwide to understand and exploit the physical properties of this material which requires to design and tailor BiFeO3 on many scales. In this sense, developing methods and tools to control the domain structure is essential to explore new emergent phenomena arising at domain walls. This is the aim of the present PhD work. Some of the original properties of BiFeO3 have been investigated including its photoelectric and magnetic properties. A particular attention is given to characterize in a parallel fashion bulk properties and domain walls properties, using original techniques of characterization such as Scanning Photocurrent Microscopy (SPCM), scattering synchrotron facilities or high field pulses. SPCM mapping reveals that depolarizing fields in the vicinity of a 180° domain wall can significantly improve the photovoltaic efficiency. Thus domain walls can be generated and precisely positioned in order to tailor the local photovoltaic efficiency. Moreover, X-ray resonant magnetic scattering on thin films with periodic domain structure shows that domain walls generate specific magnetic structures with possible uncompensated magnetization.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales et électroniques des parois de domaines ferroïques ; il a pour objectif une meilleure compréhension des mécanismes de conduction dans les parois de domaines du niobate de lithium d’une part, et de la polarité des parois de domaine dans le titanate de calcium d’autre part. La première partie est consacrée aux interactions entre les défauts et les parois de domaine dans le niobate de lithium. L’observation d’une relaxation diélectrique de faible énergie d’activation et l’analyse de son comportement sous l’effet d’un recuit dans des échantillons avec et sans parois nous conduisent à proposer que les parois de domaines stabilisent des états polaroniques. Nous rapportons aussi l'évolution de modes Raman dans des échantillons congruents de niobate de lithium dopés de manière croissante en magnésium. Nous identifions des décalages en fréquence spécifiques aux parois de domaines. Les parois de domaines apparaissent alors comme des lieux de stabilisation des défauts polaires. Nous utilisons la microscopie électronique miroir (MEM) et la microscopie électronique de faible énergie (LEEM) pour caractériser les domaines et parois de domaines à la surface du niobate de lithium dopé magnésium. Nous démontrons que les réglages de la distance focale peuvent être utilisés pour déterminer la polarisation du domaine. Aux parois de domaines, un champ électrique latéral, provenant de différents états de charge de surface, est mis en évidence. Dans une seconde partie, nous étudions la polarité des parois de domaine dans le titanate de calcium. Nous utilisons la spectroscopie de résonance piézo-électrique pour mettre en évidence l’excitation de résonances élastiques par un signal électrique, ce qui est interprété comme une réponse piézoélectrique des parois de domaines. Une image directe des parois de domaine du titanate de calcium est obtenue par LEEM, et montre une différence de potentiel de surface entre domaines et parois. Ce contraste peut être modifié sous l’effet d’injection d’électrons, par un effet d’écrantage des charges de polarisation aux parois. / We investigate the structural and electronic properties of domain walls to achieve a better understanding of the conduction mechanisms in domain walls of lithium niobate and the polarity of domain walls in calcium titanate. In a first part, we discuss the interaction between defects and domain walls in lithium niobate. A dielectric resonance with a low activation energy is observed, which vanishes under thermal annealing in monodomain samples while it remains stable in periodically poled samples. Therefore we propose that domain walls stabilize polaronic states. We also report the evolution of Raman modes with increasing amount of magnesium in congruent lithium niobate. We identified specific frequency shifts of the modes at the domain walls. The domains walls appear then as spaces where polar defects are stabilized. In a second step, we use mirror electron microscopy (MEM) and low energy electron microscopy (LEEM) to characterize the domains and domain walls at the surface of magnesium-doped lithium niobate. We demonstrate that out of focus settings can be used to determine the domain polarization. At domain walls, a local stray, lateral electric field arising from different surface charge states is observed. In a second part, we investigate the polarity of domain walls in calcium titanate. We use resonant piezoelectric spectroscopy to detect elastic resonances induced by an electric field, which is interpreted as a piezoelectric response of the walls. A direct image of the domain walls in calcium titanate is also obtained by LEEM, showing a clear contrast in surface potential between domains and walls. This contrast is observed to change reversibly upon electron irradiation due to the screening of polarization charges at domain walls.

Les composés à base du plomb sont très utilisés dans l'industrie microélectronique en raison de leurs propriétés ferroélectriques et piézoélectriques. Cependant, en raison de la toxicité du plomb, la recherche est dirigée vers le développement des matériaux piézoélectriques « écologiques » (sans plomb). L’objectif de ce travail consiste donc à synthétiser par procédé sol-gel un matériau piézoélectrique écologique : le Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT). Les films minces ont été déposés à l’aide d’une tournette sur des substrats de Pt/TiOx/SiO2/Si. Une étape de séchage sur plaque est appliquée à 100ºC après chaque dépôt. L’utilisation du procédé thermique rapide (RTP) permet la densification et la cristallisation de BNT. Ainsi une pyrolyse est appliquée après le séchage pour densifier le film ; la température a été fixée à 200ºC. Enfin un recuit à 700ºC a permis la cristallisation des films dans la structure pérovskite. Les résultats de caractérisations électriques macroscopiques ainsi que les caractérisations à l’échelle locale ont mis en évidence des performances diélectrique, ferroélectrique et piézoélectrique encourageantes. / Lead based materials are widely used in microelectronic industry due to their ferroelectric and piezoelectric properties. However, due to lead toxicity, it has recently desired to develop lead-free piezoelectric materials for environmental protection. The aim of this work is to synthesize a lead-free piezoelectric material by sol-gel method: Bi0.5Na0.5TiO3. BNT films were deposited by spin coating on Pt/TiOx/SiO2/Si substrate. The films were dried at 100ºC on a hot-plate after each layer deposition. Rapid thermal process (RTP) was used for the densification and crystallization of BNT films. Thus a pyrolysis step is applied to densify the dried film; the temperature was set at 200ºC. The film annealed at 700ºC is well crystallized in the perovskite phase. Macroscopic and local electrical characterizations showed promising dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties.

Le présent travail porte sur des systèmes chimiques entièrement inédits NaNbO3- (Ba, Ca)SnO3. Les compositions choisies sont donc exemptes de plomb et de tout élément toxique afin de répondre aux normes de protection de l'environnement. Les systèmes étudiés sont susceptibles de présenter des solutions solides continues entre la phase antiferroélectrique NaNbO3 - qui devient aisément ferroélectrique par de faibles substitutions et une phase paraélectrique constituée par le stannate alcalino- terreux. Deux comportements diélectriques différents ont été mises en évidence : ferroélectrique classique et relaxeur. L'ensemble des études effectuées au cours de ce travail confirme que des substitutions cationiques dans le site A ou dans le site B d'une perovskite ABO3 peuvent modifier les propriétés diélectriques du matériau. L'introduction de Sn4+ en site octaédrique favorise un comportement relaxeur. La température de transition peut être modulée en faisant varier la concentration des cations substitués : des matériaux relaxeurs au voisinage de la température ambiante ont ainsi été obtenus.

Intérêt industriel, pression politique : deux raisons majeures pour lesquelles la synthèse de couches minces piézoélectriques sans Plomb performantes est devenue un sujet de recherche important. L'objectif de ces travaux est la synthèse et la caractérisation d'un matériau prometteur : le BNT. L'élaboration de couches minces de BNT par pulvérisation cathodique rf-magnetron a été optimisée. L'étude montre qu'un recuit à 675°C sous Oxygène permet la meilleure cristallisation du BNT. Les caractérisations électriques ont mis en évidence de bonnes propriétés diélectrique, ferroélectrique et piézoélectrique. Les valeurs de polarisation et de déplacement obtenus en appliquant un champ électrique sont remarquables. Cependant, les valeurs rémanentes sont peu élevées. L'étude en température a permis de déterminer les transitions de phase et de démontrer le caractère relaxeur du BNT. Le mélange de BT avec le BNT dans une solution solide doit améliorer les performances électriques. Des courants de fuite ont provoqué l'effet inverse c'est-à-dire une dégradation des propriétés de nos couches minces.

Cette thèse s’intéresse à la conception de nouveaux matériaux compositesferroélectriques/diélectriques aux propriétés accordables en tension. Des granules diélectriques(MgO, TiO2) obtenues par atomisation sont dispersées dans une matrice ferroélectrique (Ba1-xSrxTiO3). Le mélange est ensuite densifié par Spark Plasma Sintering (SPS). Une approcheoriginale est développée afin de déterminer les paramètres reliant la microstructure aux propriétésphysiques pour chacune des étapes de la boucle d’optimisation élaboration - caractérisation -modélisation. La stratégie adoptée s’appuie sur i) l’utilisation des propriétés spécifiques du frittageSPS qui offre une gestion précise des interfaces entre les différents composés. Cette méthode nonconventionnellea permis l’élaboration de composites ferroélectriques architecturés, constituésd’inclusions diélectriques de géométries contrôlées ; ii) les potentialités offertes par lamicrotomographie X comme moyen de description de la microstructure 3D des matériauxcomposites aux étapes clés de leur conception. Couplée à de puissants outils de traitements desimages elle permet d’extraire les éléments pertinents guidant l’optimisation et la compréhension despropriétés finales ; iii) le développement d’un modèle numérique 3D de l’accordabilité appliquédirectement à la géométrie réelle des matériaux extraite des images de microtomographie. Cetteétape est essentielle pour comprendre l’origine de la redistribution du champ électrique entre lesphases. Les résultats numériques obtenus sont directement confrontés aux mesuresexpérimentales. / This thesis is focused on the conception of new tunable ferroelectric/dielectric compositematerials. Dielectric granules (MgO, TiO2) obtained by spray-drying are dispersed in a ferroelectricmatrix (Ba1-xSrxTiO3). Mixing powder is then densified by Spark Plasma Sintering (SPS). An originalapproach is developed in order to determine parameters linking the microstructure to the physicalproperties for each step of the elaboration - characterization - modelling optimization procedure.The adopted strategy is based on i) specific SPS properties which provide an accurate control of theinterfaces between each components; ii) potentialities offered by X-ray microtomography to describethe internal 3D microstructure of the composite materials during the key steps of their elaboration.Associated with powerful image processing tools, it allows to obtain relevant elements guiding theoptimization and understanding of the final properties; iii) the development of a 3D numerical modelof tunability applied directly to the real geometry which has been extracted from 3Dmicrotomography images. This step is essential to understand the origin of the redistribution of theelectric field between the different phases. Numerical results are directly compared to experimentalmeasurements.