Antoine BRUGERE

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|1

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’application mémoires

Antoine BRUGERE

Directeur de thèse: B. Gautier

Laboratoire de Caractérisation des Systèmes Photoniques

Encadrant: S. Gidon

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|2

Exa

octe

t = 1

018 O

ctet

Capacité dispo.

Données créées

Croissance exponentielle des besoins en capacité mémoire

Technologie actuelle: FLASH et disque dur magnétique

« 1 » « 0 » « 1 »

FLASH

Alternatives nombreuses

Ferroélectriques: + dense que les ferromagnétiques

« 1 » « 0 »« 0 »

Disque dur magnétique

20101200 Eo= 1200 Md de Go

Kryder et al, Magnetics IEEE, 45 3406 (2009)

Quelle solutions pour le stockage de données ?

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|3

Matériaux ferroélectriques: potentiel de mémoires à très haute densité

Mémoire: Codage de l’information par création de domaines

E // Ps

E>Ec Ec-Ec

Etude des mécanismes de formation des domaines pour contrôler leur taille, obtenir des domaines stables, diminuer les temps d’écriture, diminuer la tension …

Cycle d’hystérésis

Domaine "c"

domaine "a"z

Ps

Tension

“0”

“1”

électrode

pointe nano. conductrice

ferro. orienté z

Cho et al., Nanotechnology 17, S137 (2006)

1 Tbit/in²= 20 Go/cm²

26 Tbit/in²

Définition: Polarisation spontanée et orientable par l’application d’un champ électrique

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|4

I. Contexte expérimental

II. Croissance du domaine sous pointe

III. Dynamique de relaxation des domaines

IV. Conclusions et perspectives

Formation et observation des domaines par PFM Tantale de Lithium, LiTaO3

Croissance sous air Impact de l’humidité Modélisation de la croissance

Imprint: présence d’un champ interne Relaxation des domaines Impact sur la mesure de cycles d’hystérésis rémanents

Plan de l’Exposé

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|5








Plan de l’Exposé

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|6

AFM

Echantillon Pointe et levier

apexr=20 nm

Tête AFM

~ cm

Pacific Nanotech. Nano-R

z

Ps

*AFM: Microscope à Force Atomique

Laser

Photodiode

Tension

Piezoresponse Force Microscopy: effet piézoélectrique inverse

Le matériau se contracte ou s’étire suivant le signe de la polarisation par rapport au champ électrique appliqué

+Ap– Ap

E

E < Ec!

Contexte expérimental

Formation et observation des domaines par AFM*

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|7

z

Ps


Laser

Photodiode

Tension

Piezoresponse Force Microscopy: effet piézoélectrique inverse

z

Vac cos(t)

La surface sous la pointe vibre en phase ou opposition de phase suivant le signe de la polarisation avec la tension sinusoïdale appliquée

+Ap– Ap

E

E < Ec!

Vac

t

AAp

+Ap

Ps

=0

Vac

t

A =

Ps

Ap

-Ap



A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|8

Détection Synchrone

Signal PFM

z

Ps


Laser

Photodiode

Tension

z

topozz

Det. Sync domaine ferroélectrique +/- Z

TopographieModule AFM

Vac cos(t)

~ nm

~ 100 nm

En scan

~ pm

tAp cos



A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|9

Ps

Intérêt du LiTaO3

Epais: 0,5 – 1 µm Etude de la croissance sous pointe

Echantillon: Film mince

Aminci

Mince: 120 (poli) et 250 nm (non poli) + champ interne (imprint) Etude de la relaxation

Uniaxial Monocristallin

Densité Fondamental

Smart CutTM

Tantalate de Lithium: film mince monocristallin et uniaxial

z

LiTaO3

Electrode

< µm V

Ec= 10 000 V pour 500 µm

Ez

Phase ferroélectrique

OxygèneLithium Tantale

p

p

axe

c

+Ps -Ps Pland’Ox.


A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|10







Plan de l’Exposé


A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|11

PsV

Basculement local de la polarisation

V

t

10 V

30 V

20 V

1 µm

100 ms10 ms 50 ms

Croissance du domaine sous pointe

PFM

t

V

Méthode expérimentale

Formation du domaine sous la pointe

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|12


-5,0E-08

1,0E-07

2,5E-07

4,0E-07

1E-04 0,001 0,01 0,1 1 10 100

V=-30VV=-20VV=-15V

0

400

250

100

-5,0E-08

1,0E-07

2,5E-07

4,0E-07

0 10 20 30 40

5 s100 ms5 ms1 ms

0

400

250

100

Croissance: R(V)=linéaire

Durée minimale d’application de la tension: Tpmin~1 ms

Taille minimale: rayon min. ~ 30-50 nm

1 ntR, R(t)=logarithmique



10 V

30 V

20 V

1 µm

10 ms

Ray

on (

nm)

Ray

on (

nm)

Tension (V) Durée d’impulsion (s)

1E-04 0,001 0,01 0,1 1 10 100

Tanaka et al., Jap. J. Appl. Phys. 47 3311 (2008)

500 ps

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|13


Croissance: R(V)=linéaire

Durée minimale d’application de la tension: Tpmin~1 ms

Taille minimale: rayon min. ~ 30-50 nm

Mécanismes ?

Pourquoi une durée seuil d’application ?

Comment expliquer l’expansion latérale du domaine ?

Ez>Ec

Ps

Air

z

aclat E

Ev exp

?V

Caractérisation PFM sous air


Miller et Savage, Phys. Rev. 755 112 (1958)


Approche thermodynamique

1 ntR, R(t)=logarithmique

V

VLiTaO3

Enceinte hermétique N2

P

t

120°C 15 minsas

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|14

RH=5 %

1 µm

RH=35 %

+40 V

1 ms 10 ms 100 ms

0.2 s0.5 s1 s

100 ms

500 ms

20V 30V 40V 50V

1 µm

20V 30V 40V 50V

100 ms

500 ms

1 ms 10 ms 100 ms

0.2 s0.5 s1 s

1 µm+40 V

RH=5 %

1 µm

Participe à la croissance du domaine Quel est l’impact de l’humidité ?


Caractérisation PFM sous atmosphère sèche

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|15

Participe à la croissance du domaine

Caractérisation PFM sous air

Adsorption d’eau et autres composés

Ez>Ec

Champ électrique dynamique

H20

Ps

Quel est l’impact de l’humidité ?

Conduction de surface

Film d’eauAir


Caractérisation PFM sous atmosphère sèche

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|16

1

2

Conduction de surface supportée par le film d’eau

Basculement de la polarisation pour E>Ec

z

Modélisation par éléments finis (Comsol MutliphysicsTM)

500 nm

Vtip

Ps

Brugère et al., J. Appl. Phys. submitted


Croissance du domaine par conduction de surface

Vtip

d=5 nm25 nm

Eau

masse

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|17Croissance du domaine sous pointe

Animation

500 nm

masse

20 V z

Ps

Résolution


1 ms 1 s 10 s

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|18

Une croissance en deux étapes

+Z-Z

2.5 ms 6 ms3 ms2 ms0.5 ms

1 2

1 s 20 s

Mécanisme en très bon accord avec l’expérience

Résolution


Verticale


Latérale

20 ms

0,E+00

2,E-07

4,E-07

6,E-07

8,E-07

1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02

Temps (s)

Ray

on (

m)

5 µS/ m

1 µS/ m

0,55 µS/ m

0,1 µS/ m

0,0E+00

2,0E-07

4,0E-07

6,0E-07

8,0E-07

1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02

Temps (s)

Ray

on (

m)

d=10 nm

d=5 nm

Conductivité de l’eau Epaisseur couche d’eau

d=5 nm s=0,55 µS/m

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|19

Rayon Croissance latérale = domaine circulaire

Evolution très similaire qualitativement

Accord avec diminution RH%

Sous atmosphère ambiante


Croissance latérale du domaine

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|20

Sous atmosphère sèche

Croissance stoppée

aireau

Croissance limitée

Processus thermodynamique

z

aclat E

Ev exp

E<Ec


Croissance latérale du domaine

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|21

Busacca et al., Elec. Lett. 42 9 (2006)

Forte répulsion électrostatique Stabilisation par

compensation

Domaine en aiguille (Semi-ellipsoïde)

Croissance anisotrope

Minimisation

Landauer, J. Appl. Phys. 28, 227 (1957)


Croissance verticale du domaine

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|22

Modèle

0,E+00

5,E-03

1,E-02

10 20 30

n=5

n=1

nthVVTp min

Tension (V)20 3010

0

5

10

Dur

ée m

inim

ale

(ms)

40200

0

1

2

3

4

Con

stan

te d

e T

emps

(m

s)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 10 20 30 40 50

0

500

1000

1500

2000

2500

Tension (V)

1 thVV

Expérimental

StableInstable

Tp>TpminTp<Tpmin



Durée minimale d’application de la tension



2.5 ms 6 ms3 ms2 ms

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|23



Durée minimale d’application de la tension

Taille minimale du domaine

5.5 ms 6 ms 10 ms

R= 5 nm

H=50 nm


R=3 nm

Epaisseur: 30 nm

Pointe: 25 nm


Cas d’un film mince

Nécessité de films minces

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|24






Croissance sous air Impact de l’humidité Modélisation de la croissance des domaines


Plan de l’Exposé

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|25

-Z

+Z

IV measurement

Tower-Sawyer

Champ électrique [kV/cm]

De

ns

ité

de

co

ura

nt

[A/c

m²] P

ola

risa

tion

[µC

/cm

²]

Substrat (LiTaO3)

LiTaO3

Métal

Interface de collageOxyde

Z

120 nm - 250 nm

Cycles macroscopiques

Eint imprint ? décalage du cycle d’hystérésis

Equivalent champ électrique interne (+Z)

Similaire macro/nano: Eint~Ec

130 kV/cm

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-30 -20 -10 0 10 20 30

Sign

al P

FM (

ua) +Z

-Z

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-30 -10 10 30Tension Vinf (V)

sig

na

l PF

M (

ua

)

120 nm

250 nm

Tension Electrode-Pointe [V]

Cycles PFM (in-Field)

Dynamique de relaxation des domaines

Imprint: un champ interne dans la structure

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|26

Ecriture: scan d’une région avec Vdc~20 V

Lecture: scan avec Vac=1 à 2 V et offset=-5 V

Erosion du domaine: relaxation complète à partir des parois


Conséquence de l’imprint: relaxation des domaines -Z

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|27

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000 1000000,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000 100000Temps [s]

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000 100000

A [µ

m²]

Aire

du

do

ma

ine

, A

(µ

m²)

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000 100000

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000 100000

Evolution identique quelque soit la taille initiale du domaine

Suivi de l’évolution de l’aire du domaine en fonction du temps

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5

A/A

0 [ ]

Courbes normalisées

A0: taille initiale [<1 to 200 µm²]

Tau: A(Tau)=36% de A0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5t/Tau [ ]


Conséquence de l’imprint: relaxation des domaines -Z

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|28

Justification:

Force motrice: - diminution énergie libre du domaine

- E = champ interne (champ dépolarisant négligeable)

EPfdt

dRsT

R

A=R²

z

Ps

Eint

Domaine -Z

Ganpule et al., Phys. Rev. B 65, 014101 (2001)

n

Gft

- disparition progressive

- uniquement aux parois


Mécanisme de relaxation: thermodynamiquement activé

tf

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|29

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 2000 4000Temps [s]

Ra

yon

éq

uiv

ale

nt [

µm

]

A=R²

Croissance sous pointe: V=1 à 1000 nm/s

Expérience en accord avec modèle

Vitesse constante de déplacement latéral des parois : 0,2 à 0,6 nm/s


Mécanisme de relaxation: thermodynamiquement activé

Contributions moindres

1. défauts: points d’accroche

2 µm-Z

Points d’accroche

2. Tension superficielle

2 µm t=0 14’ 26’

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|30

EoffsetEint

Mesure de l’état rémanent i.e. sans champ extérieur appliqué


Impact sur la mesure des cycles d’hystérésis rémanents

offset

V

Eint

Offset: stabilise le domaine -Z en formation

offset

Evolution du signal PFM relatif à -Z

-1,2

-0,6

0

0,6

1,2

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40Sig

nal PFM

(u

a)-1,2

-0,6

0

0,6

1,2

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

Tension (V)Electrode-Tip Voltage [V]

Offset -5 V

PF

M

[a.u

]

Offset -3,5 V

Offset -5 V

Offset 0 V

+Z

-Z

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|31

-1.2

-0.6

0

0.6

1.2

0 200 400Rayon du domaine (nm)

Sig

na

l PF

M (

ua)

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50distance (µm)

Sign

al P

FM (

ua)

500 nm

Experim.

Signal PFM: fonction de la taille du domaine

Effet d’ancrage (clamping)

u3(r3)

Psr3

u3(r2)

Psr2

Pointe

u3(r1)

V0

Psr1 E

Vpointe

r


Les cycles rémanents: une mesure dynamique

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|32

rr

1pointe V

L

25 nm



R = Rayon du domaineR = Rayon du domaine-8,0E-12

-4,0E-12

0,0E+00

4,0E-12

8,0E-12

0,0E+00 2,0E-07 4,0E-07

Abscisse, r (m)

Dép

lace

men

t ve

rtic

al, z

(m

)R=0

R=L

R=20

R=50

R=100R=250

Abscisse radiale (m)



-1.2

-0.6

0

0.6

1.2

0 200 400Rayon du domaine (nm)

Sig

na

l PF

M (

ua)

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|33

Experim.

Comsolcyl.ell.

u3(r3)

Psr3

u3(r2)

Psr2

Pointe

u3(r1)

V0

Psr1 E

Vpointe

r





A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|34

-1,2

-0,6

0

0,6

1,2

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

-1,2

-0,6

0

0,6

1,2

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

-1,2

-0,6

0

0,6

1,2

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

Tension (V)Tension Electrode-Pointe (V)

PFM0

V

Croissance du domaine

Vc(-Z)

1.

2.

Relaxation

3.

Inversion

5.

Maintien

4.

1.

2. 3. 4.

5.



Evolution du cycle = évolution domaine



A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|35





Matériaux ferroélectriques Formation et observation des domaines par PFM Tantale de Lithium, LiTaO3

Croissance sous air Impact de l’humidité Modélisation de la croissance des domaines


Plan de l’Exposé

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|36

Etude des domaines ferroélectriques par Piezoresponse Force Microscopy dans des films minces de LiTaO3 monocristallins

Approche Croissance sous pointe/Relaxation des domaines

Dynamique de déplacement des parois

Seuil de formation des domaines

Nécessité d’avoir des films minces

Impact de l’humidité

Conductivité de surface participant à la

croissance des domaines

Cycles d’hystérésis piezoresponseRelation entre le signal PFM et la taille

du

domaine

Conclusions

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|37

Expérimental

Simulation

Application

Impact de l’humidité: croissance sous vide ? Maitriser technologiquement l’interface Comparaison mesure Macro/PFM

Modélisation d’un cycle d’hystérésis

piezoresponse: fusionner modèle de

croissance et piézoélectrique Effet d’injections de charges sous pointe

Approche système (mode de lecture, usure de la

pointe…) compatible avec un dispositif mémoire

Valoriser techno Smart Cut en résolvant le

«problème» imprint

Perspectives

A. B

rugè

re –

14

jan.

201

1

|38

Merci de votre attention

Serge Brice

Amélie OlivierAntoine

Fabien

Yann

Gilles

Alain

Marilyn

BérengèreAlexei

Bernard

Salim

Audrey

Etienne

ClémentTiphaine

Catherine

Stéphanie

StéphanePierre Stéfan

Alex

Christophe

Olivier

Alain

Stéphanie

Philippe

Karen

Badhise

Brigitte

Patrick

Luc

Paul

Cyrile

Jacq

ues

Jean-C

laude

Jérôme

Jérôme

JérémyJS

GwenaëlBrig

itte

Marie-Françoise

Roselyne

Merci

Serge Brice

Amélie OlivierAntoine

Fabien

Yann

Gilles

Alain

Marilyn

BérengèreAlexei

Bernard

Salim

Audrey

Etienne

ClémentTiphaine

Catherine

Stéphanie

StéphanePierre Stéfan

Alex

Christophe

Olivier

Alain

Stéphanie

Philippe

Karen

Badhise

Brigitte

Patrick

Luc

Paul

Cyrile

Jacq

ues

Jean-C

laude

Jérôme

Jérôme

JérémyJS

GwenaëlBrig

itte

Marie-Françoise

Roselyne

Mag Franck

JuMel

Isa

Noel

Seb

Marjo

Amalia

Jérôme

Pierre

Léa

Anneso

Milan

Pierre

Adeline

Papa Maman

Quentin

Merci

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Antoine BRUGERE