STEM-EELS investigation of ferroelectric proximity effects in transition metal oxide thin films (SrRuO₃, NdNiO₃)
Étude STEM-EELS des effets de proximité ferroélectriques dans les films minces d'oxyde de métal de transition (SrRuO₃, NdNiO₃)
Résumé
Developing the unique physical properties of transition metal oxide (TMO) thin films has been a long-standing goal in solid-state physics. In case a TMO thin film is in contact with a ferroelectric (FE) material, the ferroelectricity profoundly impacts the structural and electronic properties of the TMO, possibly varying with the configuration of the FE polarization. However, the complexity of the interfacial effects still needs a comprehensive understanding due to the rich degrees of freedom involved. This thesis mainly explores the interfacial effects between FE material and TMO thin film at the nanoscale. Scanning transmission electron microscopy (STEM) in conjunction with electron energy-loss spectroscopy (EELS) provides microscopic investigations of thin film heterostructures and nanostructures with high spatial and spectral resolution. At first, the EELS spectroscopic signatures of bulk and surface plasmonic excitations on SrVO₃ thin films and nanostructures are addressed. The goal is to relate these excitations to the electronic structure and the nanostructure on a referential correlated metal, in order to establish how sensitive these signatures are to a nanometric description of a metal-insulator transition. The presence of intense localized surface plasmon resonances with a high-quality factor is also demonstrated on the various nanostructures through both simulations and experiments, indicating SrVO₃ has the potential as an alternative plasmonic material. Secondly, the evolution of FE domain configurations for FE PbTiO₃ thin film heterostructures sandwiched by TMO-based electrodes (SrRuO₃) is observed as a function of FE film thickness. By increasing the FE film thickness, the FE domain configuration evolves from a complex flux-closure type to a a/c type domain. Further, microscopic analyses reveal that the FE domain configuration imprints on the crystal orientations of the SrRuO₃ electrodes, controlling their crystallographic mosaicity. Lastly, FE Pb(Zr,Ti)O₃ thin film heterostructures with different TMO buffer layers (LaMnO₃ and NdNiO₃) and with varying FE film thicknesses are investigated. We report that the FE domain configuration can be controlled by the choice of buffer layer due to different strain relaxation mechanisms within the whole heterostructure. Moreover, modulating the FE film thickness can affect the structural and electronic characteristics of the neighboring NdNiO₃ layer. These STEM-EELS nanometric descriptions report varying couplings and structural control at the interfaces between FE material and TMO thin film, allowing further research into ferroelectric proximity effects in nanostructured TMO.
Développer les propriétés physiques uniques des couches minces d'oxyde de métal de transition (TMO) est un objectif de longue date en physique du solide. Dans le cas où un couche mince de TMO est en contact avec un matériau ferroélectrique (FE), la ferroélectricité impacte profondément les propriétés structurelles et électroniques du TMO, variant éventuellement avec la configuration de la polarisation FE. Cependant, la complexité des effets d'interface nécessite encore une compréhension globale notamment en raison de la richesse des degrés de liberté impliqués. Cette thèse explore principalement les effets d'interface entre le matériau FE et les couches minces de TMO à l'échelle nanométrique. La microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) en conjonction avec la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) fournit une étude microscopique des couches minces, de leur hétérostructures et nanostructures avec une résolution spatiale et spectrale élevée. Dans un premier temps, les signatures spectroscopiques EELS des excitations plasmoniques du massif et des surfaces sur des couches minces et des nano-structures de SrVO₃ sont abordées. L'objectif est de mettre en relation ces excitations avec la structure électronique et la nanostructuration sur un métal corrélé référentiel afin d'établir la sensibilité à une description nanométrique d'une transition métal-isolant de ces signatures. La présence de fortes résonances plasmoniques de surface localisées avec un facteur de qualité élevé est également démontrée sur diverses nanostructures à la fois par des simulations et des expériences, indiquant que SrVO₃ a le potentiel en tant que matériau plasmonique alternatif. Deuxièmement, l'évolution des configurations des domaines FE pour les films minces à hétérostructure FE PbTiO₃ pris en sandwich par les électrodes à base de TMO (SrRuO₃) est observée en fonction de l'épaisseur du film. En augmentant l'épaisseur, les domaines FE évoluent d'un type de complexe de fermeture de flux vers des domaines de type a/c. En outre, l'analyse microscopique révèle que la configuration du domaine FE imprime sur la structure des électrodes SrRuO₃, par exemple en contrôlant leur mosaïcité cristallographique. Enfin, des hétérostructures FE Pb(Zr,Ti)O₃ avec différentes couches de TMO (LaMnO₃ et NdNiO₃) et avec des épaisseurs de film FE variables sont étudiés. Nous rapportons que la configuration FE peut être contrôlée par le choix de la couche tampon TMO en raison de différents mécanismes de relaxation des contraintes dans ces hétérostructures. Une évolution similaire des contraintes peut être obtenue en modulant l'épaisseur du film FE, contrôlant ainsi les propriétés structurelles et électroniques du NdNiO₃ voisin. Ces descriptions nanométriques STEM-EELS rapportent plusieurs couplages et contrôles structurels différents aux interfaces entre le matériau FE et la couche mince de TMO permettant un développement ultérieur dans le TMO nanostructuré accompagné de matériau FE.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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