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1 - INTRODUCTION AUX MATÉRIAUX ET DOMAINES FERROÉLECTRIQUES

2 - APERÇU DES TECHNIQUES DE DÉTECTION DES DOMAINES FERROÉLECTRIQUES

3 - PRINCIPE GÉNÉRAL DE LA MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE EN MODE CONTACT

4 - CARTOGRAPHIE DE LA POLARISATION FERROÉLECTRIQUE PAR PFM

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : R6719 v1

Détection et contrôle de la ferroélectricité à l’échelle nanométrique

Auteur(s) : Brice GAUTIER, David ALBERTINI

Relu et validé le 22 déc. 2023

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Présentation

RÉSUMÉ

Cet article présente les techniques capables de détecter et de modifier la polarisation ferroélectrique à l’échelle nanométrique dans les matériaux monocristallins ou déposés en couches minces, en mettant l’accent sur l’une d’entre elles : la microscopie de force piézoélectrique (PFM), dérivée de la microscopie à force atomique (AFM). La technique y est décrite en détails : ses différents modes opératoires, ses forces et ses faiblesses, ainsi que les
artefacts qui peuvent compliquer l’interprétation des données. Des conseils de bonnes pratiques sont donnés afin de permettre aux utilisateurs non spécialistes de tirer le meilleur parti de ce type de microscopie.

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ABSTRACT

Mapping and controlling ferroelectricity at the nanoscale

This article presents the techniques that are able to detect and modify ferroelectric polarisation at the nanoscale in single crystalline materials or thin laters. Particularly emphasised is a technique derived from atomic force microscopy (AFM), called piezoresponse force microscopy (PFM), which is decribed in details. The different available operating modes, strength of weaknesses of the technique are presented, as well as the artifacts that can complicate the interpretation of the data. Advices of good practices are provided for the non specialist users who wish to obtain the most valuable information from this kind of microscopy.

Auteur(s)

  • Brice GAUTIER : Professeur des universités - Institut des nanotechnologies de Lyon

  • David ALBERTINI : Ingénieur de recherche CNRS - Institut des nanotechnologies de Lyon

INTRODUCTION

La ferroélectricité désigne la propriété de certains matériaux de posséder une polarisation diélectrique permanente qui peut être basculée entre deux états stables par l’application d’un champ électrique extérieur. Les matériaux ferroélectriques peuvent s’organiser spontanément en domaines, c’est-à-dire en régions de polarisation uniforme. Il est également possible de créer les domaines artificiellement par l’application d’un champ électrique suffisamment important le long duquel la polarisation s’alignera. La frontière qui sépare deux domaines de polarisation différente est extrêmement fine : son épaisseur est de l’ordre du plan atomique. Les matériaux ferroélectriques sont donc des candidats très sérieux pour la réalisation de dispositifs de stockage de l’information, comme les mémoires RAM non volatiles, mais ils trouvent également des applications dans le domaine des capteurs (température, pression…), de l’optique non linéaire ou de l’électronique.

Dans ce contexte, il est crucial d’être en mesure de réaliser une cartographie de la polarisation ferroélectrique avec une résolution spatiale compatible avec les applications visées, c’est-à-dire l’échelle du nanomètre.

Cet article est consacré à la description de la technique la plus utilisée pour détecter et modifier localement la polarisation ferroélectrique avec une résolution nanométrique. Appelée « Piezoresponse Force Microscopy », elle dérive de la famille plus large des microscopies à force atomique et se fonde sur la mesure de la vibration due à l’effet piézoélectrique inverse, sous l’action d’une tension électrique imposée entre l’électrode inférieure de l’échantillon et la pointe du microscope (qui représente une électrode de taille nanométrique). Elle permet d’obtenir une cartographie de la composante verticale ou latérale de la polarisation, mais aussi de réaliser des cycles d’hystérésis locaux en arrêtant la pointe au-dessus d’une zone déterminée, et de modifier localement l’état de polarisation en appliquant des tensions continues positives ou négatives entre pointe et échantillon. Cette technique est décrite en détails ainsi que la théorie qui permet d’en comprendre le fonctionnement de manière complète. Les différents modes opératoires sont présentés. Les artefacts possibles sont également décrits et explicités, à l’exemple de l’interaction électrostatique et de la conduction ionique qui peuvent générer des signaux parasites et fausser l’interprétation des données obtenues par la technique. Des conseils de bonnes pratiques sont donnés pour tirer le meilleur parti de la méthode et éviter la sur-interprétation des résultats qu’elle fournit.

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KEYWORDS

atomic force microscopy   |   piezoelectricity   |   ferroelectricity   |   piezoresponse force microscopy   |   dielectric polarisation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r6719


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - VALASEK (J.) -   Piezo-Electric and Allied Phenomena in Rochelle Salt.  -  In: Phys. Rev., 17, p. 475-481, DOI : 10.1103/PhysRev.17.475 (4 avr. 1921).

  • (2) - WHATMORE (W.R.) et al -   Rapid reconstruction of a strong nonlinear property by a multiple lock-in technique.  -  In: Physical Review B, 85, p. 165426, DOI : 10.1063/ 5.0059208 (2012).

  • (3) - KAWAI (S.) et al -   100 years of ferroelectricity : a celebration.  -  In: Appl. Phys. Lett. Materials, 9, p. 070401, DOI : 10.1103/PhysRevB.85.165426 (2021).

  • (4) - SCOTT (J.), PAZ DE ARAUJO (C.A.) -   Ferroelectric memories.  -  In: Science, 246.4936, p. 1400-1405, DOI : {10.1116/1.589143} (1989).

  • (5) - BALLANDRAS (S.) et al -   A novel surface wave transducer based on periodically poled piezoelectric domain.  -  In: IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum, 2003. Proceedings of the 2003, p. 893-896, DOI : 10.1109/FREQ.2003.1275208 (2003).

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