Growth and stability of ferroelectric domains created by an Atomic Force Microscopy: Study of singe-cristal LiTaO3 thin films for memory applications

Cinétique de formation et stabilité des domaines ferroélectriques créés par un Microscope à Force Atomique: Etude de films minces monocristallins de LiTaO3 en vue d'applications mémoires

Antoine Brugère (1)

1 CEA-LETI - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information

Ferroelectric materials are characterized by their spontaneous polarization, whose direction can be reversed by the application of a suitable electric eld. Using domains, i.e. regions of uniform polarization orientation, as information bits, ferroelectrics opens the pathway towards ultrahigh storage densities (>10 Tbit/in²). In this respect, Piezoresponse Force Microscopy (PFM), a technique derived from Atomic Force Microscopy (AFM), was used to manipulate and detect ferroelectric domains on the nanometer scale. Our study was focused on the domains formation mechanism in the local electric eld of a nanosized tip. Within an approach complementary to the thermodynamic one, we underlined the kinetics of domains growth in single-crystal LiTaO3 thin films, and the role of humidity in a possible surface conduction. In parallel, the LiTaO3 thin lms were used to better understand the PFM response, in particular the relation between the measured signal and the geometry of the domain below the tip. This way, PFM and ferroelectrics domains alternately appeared as object of study and characterization tool.

Les matériaux ferroélectriques sont caractérisés par l'existence d'une polarisation électrique spontanée, dont l'orientation peut être inversée par l'application d'un champ électrique adéquat. Permettant de coder l'information sous la forme d'un domaine ferroélectrique, i.e. une région du matériau avec une certaine orientation de la polarisation, les ferroélectriques ouvrent la voie au stockage de masse de très haute densité (>10 Tbit/in²). Dans ce contexte, nous avons employé la Piezoresponse Force Microscopy (PFM), un mode particulier de Microscope à Force Atomique (AFM), permettant la manipulation et la détection des domaines ferroélectriques à l'échelle du nanomètre. Avec pour objectif d'étudier les mécanismes de formation des domaines par l'intermédiaire d'une pointe AFM, nos travaux ont mis en valeur la cinétique de croissance des domaines dans des films minces monocristallins de LiTaO3, avec une approche complémentaire de celle ther- modynamique, dépendante du champ électrique et soulignant le rôle de l'humidité dans une possible conduction de surface. En parallèle, les lms de LiTaO3 ont permis d'appréhender davantage la nature électromécanique de la réponse PFM, pour notamment relier l'amplitude du signal mesuré à la géométrie du domaine sous pointe. PFM et domaines ferroélectriques se sont en effet révélés tour à tour, objet d'étude et outil de caractérisation.

Mots clés: Thin Films; Piezoresponse Force Microscopy; Films minces; Tantalate de Lithium

Domaines: Physique [physics]

Antoine Brugère. Cinétique de formation et stabilité des domaines ferroélectriques créés par un Microscope à Force Atomique: Etude de films minces monocristallins de LiTaO3 en vue d'applications mémoires. Physique [physics]. INSA de Lyon, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00576556v1⟩