Durant ce travail de thèse, nous avons étudié l’effet d’un champ électrique intense (>3 kV.cm-1) sur des matériaux à structures pérovskites, le ferroélastique CaTiO3 et le ferroélectrique BaTiO3. Un tel champ agit comme une force extérieure dans la sélection, l’orientation et la distribution des domaines. Son application durant la croissance modifie la nucléation, le coefficient de partage des espèces et la possible modification du diagramme de phase du matériau considéré. En effet les ions dans un champ électrique voient leur énergie changer ce qui implique un nouvel équilibre thermodynamique. La première partie est dédiée à la croissance cristalline de CaTiO3 lorsque plusieurs paramètres de croissance sont modifiés (vitesse de croissance vG et potentiel électrique V). En faisant varier ces paramètres, nous montrons que nous pouvons contrôler la morphologie du cristal et ainsi altérer l’orientation cristalline des domaines. Des résultats similaires sont retrouvés avec BaTiO3.Plusieurs techniques expérimentales ont été employées dans le but d’étudier la microstructure des composés notamment la microscopie électronique miroir (MEM) et la microscopie électronique à faible énergie (LEEM) afin de caractériser les domaines et parois de domaines à la surface du titanate de calcium. La polarité de ces parois ayant été récemment prouvée, nous avons étudié et comparé le potentiel de surface entre les échantillons qui ont été élaborés sous et sans champ électrique. / In this work, we investigate electric field effect (>3 kV.cm-1) on perovskite compound, CaTiO3 (ferroelastic) and BaTiO3 (ferroelectric). This electric field acts like an external force in selection, orientation and distribution of piezoelectric/ferroelastic domains. The electric field can act on nucleation, the partition coefficient of species and the possible modification phases diagrams of a material during its growth. Indeed ions within an electric field see their energy changing which implies a new thermodynamic equilibrium.In the first part, we discuss about crystal growth of CaTiO3 with different growth parameters (velocity of cristal growth vG, electric potential V). By varying this parameters, we can control crystal shape and can alter the crystalline orientation of domains. Same results are found with BaTiO3.In a second step, we used Mirror Electron Micrsocopy (MEM) and Low Energy Electron Microscopy (LEEM) to caracterize domains walls at the surface of calcium titanate. Polarity of domains walls have been prooved recently, and so we have investigated surface potential between samples grown under or without electric field.

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.

Utilisés dans de nombreux domaines, les matériaux piézoélectriques sont régulièrement soumis à des sollicitations externes ou internes qui modifient leurs propriétés. Dans le but de prévoir et d'anticiper ces altérations, ce travail étudie les propriétés de matériaux piézoélectriques soumis à une contrainte statique de type mécanique ou électrique. Dans un premier temps, nous développons les équations du mouvement d'un matériau piézoélectrique (non hystérétique) au second ordre, en tenant compte à la fois des déformations dynamiques occasionnées par le passage de l'onde, mais aussi des déformations statiques concomitantes à la présence de contraintes. L'étude numérique des vitesses en onde plane et du coefficient de couplage est faite sur un matériau de référence (le niobate de lithium), dans différents plans de coupe et dans les différents systèmes de coordonnées (naturel et prédéformé). Ainsi, on évalue dans quelles configurations l'application d'une contrainte externe de type électrique ou mécanique améliore ou dégrade les propriétés du matériau. Dans une seconde partie, nous caractérisons les comportements hystérétiques de piézocéramiques sous contrainte (uniaxiale) mécanique et électrique en modélisant l'évolution des polarisations et déformations rémanentes microscopiques via les mouvements de murs de domaines. La comparaison des résultats numériques avec des évolutions issues de la littérature de 4 piézocéramiques nous permet de définir le domaine de validation de nos hypothèses et d'expliciter les comportements hystérétiques de piézocéramiques dites " dures " et " molles ". L'étude de l'évolution des constantes du matériau a permis de mettre en avant des comportements propres aux différents types de piézocéramiques ainsi que les avantages et limites de notre modèle. Dans une dernière partie, nous mettons en place un dispositif expérimental de mesure de déformations (longitudinale et transversales), ainsi que du déplacement électrique de deux piézocéramiques (une molle, le Pz21, et une dure, le Pz26) et du niobate de lithium sous contrainte mécanique (uniaxiale). Ces résultats nous ont permis de dimensionner notre étude sur le niobate de lithium et apportent une meilleure compréhension de l'évolution des déformations transversales dans les piézocéramiques.

Utilisés dans de nombreux domaines, les matériaux piézoélectriques sont régulièrement soumis à des sollicitations externes ou internes qui modifient leurs propriétés. Dans le but de prévoir et d’anticiper ces altérations, ce travail étudie les propriétés de matériaux piézoélectriques soumis à une contrainte statique de type mécanique ou électrique. Dans un premier temps, nous développons les équations du mouvement d’un matériau piézoélectrique (non hystérétique) au second ordre, en tenant compte des déformations dynamiques, mais aussi statiques. L’étude numérique des vitesses et du coefficient de couplage est faite sur le niobate de lithium, dans différents plans de coupe et différents systèmes de coordonnées afin d’évaluer dans quelles configurations l’application d’une contrainte externe électrique ou mécanique améliore ou dégrade les propriétés du matériau. Nous caractérisons ensuite les comportements hystérétiques de piézocéramiques sous contraintes en modélisant l’évolution des polarisations et déformations rémanentes microscopiques via les mouvements de murs de domaines. La comparaison des résultats numériques avec des évolutions de 4 piézocéramiques nous permet de définir le domaine de validation de nos hypothèses et d’expliciter les comportements hystérétiques de piézocéramiques. Dans une dernière partie, nous mettons en place un dispositif expérimental de mesure de déformations et du déplacement électrique de structures piézoélectriques sous contrainte mécanique. Ces résultats nous permettent de dimensionner notre étude sur le niobate de lithium et apportent une meilleure compréhension de l’évolution des déformations transversales dans les piézocéramiques. / Used in many domains, piezoelectric materials are frequently submitted to external or internaI stresses which modify their properties. In order to prevent and anticipate these modifications, this work studies the properties of piezoelectric materials under static electrical or mechanical stress. First, the motion equations of a piezoelectric (non hysteretic) rnaterial are developed at the second order taking to account the static strain and the dynamic ones. The numerical study of plane wave velocities and coupling coefficients is performed on lithium niobate, in different cuts and different coordinate systems. Then, we evaluate in which configurations the application of an electrical or mechanical stress improves or degrades the material properties. In a second part, the hysteretic behaviours of piezocerarnic materials under electrical and mechanical stresses are characterized by modelling the evolutions of microscopic remanent polarization and strains through the movements of domain walls. Numerical results are compared to evolutions of 4 piezoceramics and allow us to define the validation domain of our hypothesis and to explain hysteretic behaviours of soft and hard piezoceramics. In the last part, an experimental device to measure strains and electrical displacements under mechanical stress is developped. Results allow study on lithium niobate to be planned and bring a better understanding of transversal strain evolutions in piezoceramics.