Chia-Ping Su

Étude STEM-EELS des effets de proximité ferroélectriques dans les films minces d'oxyde de métal de transition (SrRuO₃, NdNiO₃): 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.

In transition metal oxides, electron–electron interaction and lattice degree of freedom are basic ingredients of emergent phenomena, such as metal-to-insulator transition (MIT) and superconductivity. Perovskite rare-earth nickelates are largely studied for their temperature-driven MIT, which is accompanied by a breathing-mode distortion and associated with a bond-disproportionation of the expanded (3d8L0) and compressed (3d8L2) NiO6 octahedra. Steric effects control the onset temperature of the MIT, the latter being concomitant or not with a complex antiferromagnetic spin arrangement depending upon the choice of the rare-earth ion (TMIT ≥ TNéel). Interface engineering of oxygen octahedra tilting, as imposed by the symmetry and orientation of the substrate, has resulted in an efficient pathway to modify both TMIT and TNéel, hence suggesting a key role of the electron–phonon coupling for both transport and magnetic properties in nickelate thin films. Here, via a combination of resonant elastic x-ray scattering and transport experiments, we show control over both TMIT and TNéel in heteroepitaxial PbZr0.2Ti0.8O3(d)/NdNiO3(7 nm)//SrTiO3 heterostructures, which are characterized by different strains and polarization states of the PbZr0.2Ti0.8O3 layer grown at different thicknesses d. We found the expected NdNiO3 bulk behavior (TMIT = TNéel), for a fully relaxed PbZr0.2Ti0.8O3 layer showing a monodomain polarization state. On the other side, an almost 30 K difference (TMIT > TNéel), is found for a fully strained PbZr0.2Ti0.8O3 characterized by a multidomain texture of the polarization state. We discuss our results in terms of an altered breathing distortion pattern of the underlying nickelate layer as supported by x-ray absorption spectroscopy measurements. We infer that locally different polar distortions controlled by a combination of polarization direction and strength of the strain state play the main role in the observed TMIT and TNéel variations.

We investigate nanoscale domain engineering via epitaxial coupling in a set of SrRuO3/PbTiO3/SrRuO3 heterostructures epitaxially grown on (110)o-oriented DyScO3 substrates. The SrRuO3 layer thickness is kept at 55 unit cells, whereas the PbTiO3 layer is grown to thicknesses of 23, 45, and 90 unit cells. Through a combination of atomic force microscopy, x-ray diffraction, and high resolution scanning transmission electron microscopy studies, we find that above a certain critical thickness of the ferroelectric layer, the large structural distortions associated with the ferroelastic domains propagate through the top SrRuO3 layer, locally modifying the orientation of the orthorhombic SrRuO3 and creating a modulated structure that extends beyond the ferroelectric layer boundaries.

We study the complex ferroelastic/ferroelectric domain structure in the prototypical ferroelectric PbTiO3 epitaxially strained on (110)o-oriented DyScO3 substrates, using a combination of atomic force microscopy, laboratory and synchrotron x-ray diffraction, and high resolution scanning transmission electron microscopy. We observe that the anisotropic strain imposed by the orthorhombic substrate creates a large asymmetry in the domain configuration, with domain walls macroscopically aligned along one of the two in-plane directions. We show that the periodicity as a function of film thickness deviates from the Kittel law. As the ferroelectric film thickness increases, we find that the domain configuration evolves from flux-closure to a/c-phase, with a larger scale arrangement of domains into superdomains.