Study of the interface effects on the low frequency properties of Pb(Zr,Ti)O3 ferroelectric thin films
Etude des effets d'interface sur les propriétés en basse fréquence des couches minces ferroélectriques de Pb(Zr,Ti)O3
Abstract
The lead zirconate titanate PbZrTiO3 (PZT) of perovskite structure are widely used in the electronics industry due to their excellent dielectric and electromechanical properties. The current context of technological innovation is the miniaturization and lightening of products while ensuring greater reliability. Today is the era of nanotechnology and at this scale, the effects of interface Electrode/Ferroelectric on the properties of the structures classically called MIM (Metal/Insulator/Metal) become substantial. This thesis aims at studying these effects on the properties of PZT thin films deposited by rf magnetron sputtering. The study is based on modeling of the MIM structure as capacitances in series : the ferroelectric capacitance and those of non-ferroelectric interfaces. Experimental investigations have shown that size effects are caused by the interface effects that are the manifestation of the interface capacitance charged by an internal potential. The nature [oxide (LaNiO3) or metal (Pt)] of the top electrode has a significant influence in terms of size effects (on the parameters εr, Ec, d33eff) while the bottom one mainly affects the microstructure of the PZT layer. LNO (a perovskite oxide) is a promising material for limiting the interface effects. The ferroelectric fatigue which is correlated with size effects is a consequence of degradation of the interface. The LNO/PZT/LNO structure has good fatigue endurance and is less prone to size effects. A modeling of fatigue has been proposed from experimental data. The final stage of this thesis has highlighted the effect of the nature of the substrate on the growth mode and the electrical properties of PZT films.
Les titano-zirconate de plomb PbZrTiO3 (PZT) de structure pérovskite sont largement utilisés dans l'industrie de l'électronique en raison de leurs excellentes propriétés diélectriques et électromécaniques. Le contexte actuel de l'innovation technologique est la miniaturisation et l'allègement des produits tout en en garantissant une fiabilité accrue. Aujourd'hui, nous sommes dans l'ère de la nanotechnologie et à cette échelle les effets d'interface Electrode/Ferroélectrique sur les propriétés des structures appelées classiquement MIM (Métal/Isolant/Métal) deviennent substantiels. L'objectif de cette thèse est d'étudier ces effets sur les propriétés des couches minces de PZT déposées par pulvérisation cathodique rf magnétron. L'étude est basée sur la modélisation de la structure MIM comme des capacités en série : la capacité ferroélectrique et celles des interfaces non ferroélectriques. Les investigations expérimentales ont montré que les effets d'épaisseur sont causés par les effets d'interface qui sont la manifestation de la capacité d'interface chargée par un potentiel interne. La nature [oxyde (LaNiO3) ou métal (Pt)] de l'électrode supérieure a une influence significative en termes d'effets d'épaisseur (sur les grandeurs εr, Ec, d33eff) tandis que celle inférieure conditionne principalement la microstructure de la couche de PZT. Le LNO (un oxyde pérovskite) se révèle un matériau prometteur pour limiter les effets d'interface. La fatigue ferroélectrique qui s'est avérée en corrélation avec les effets d'épaisseur est une conséquence de la dégradation de l'interface. La structure LNO/PZT/LNO a une bonne endurance à la fatigue et est moins encline aux effets d'épaisseur. Une modélisation de la fatigue a été proposée à partir des données expérimentales. L'ultime étape de cette thèse a mis en exergue l'effet de la nature du substrat sur le mode de croissance et les propriétés électriques des films de PZT.