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Nanoscale dowsing with atomic force microscopy: distance and relative humidity contributions to the off-surface electrostatic response of soda lime glass
No full textPiezoresponse force microscopy (PFM) has emerged as a tool of choice to probe ferroelectric materials through electrochemomechanical coupling at the nanoscale. However, this technique is not without its challenges, with artefacts related to electrostatic and topographical features presenting a significant obstacle to the accurate interpretation of PFM data.
Here, we investigate the bias-dependent off-surface electrostatic response of soda lime glass, a material not traditionally associated with electromechanical activity. Unexpectedly, we observe a distinctive ferroelectric-like hysteresis behaviour that is highly dependent on both the tip-sample separation and relative humidity. We also show the dynamic nature of these interactions, through a temporal analysis of the relaxation of this electrochemomechanical response.
While the presence of an electrostatic force is expected, we can infer that this hysteretic effect is not inherent to the pure electrostatics of the voltage application and residual surface charges in an air-water capacitor, but is probably due to the incomplete charge and discharge dynamics of the soda lime glass. The choice of tip and the control of environmental conditions are thus essential for the measurement of true electromechanical responses of ferroelectrics
Probing nanoscale limits of polarization switching and controlling electronic properties in devices combining carbon nanotubes and ferroelectrics
No full textLa présente thèse est consacrée en grande partie à l'étude des interactions entre les nanotubes de carbone et les couches minces ferroélectriques. D'une part, l'effet de champ ferroélectrique peut moduler de façon réversible et non-volatile la densité de porteurs de charge de nanotubes semi-conducteurs. D'autre part, des nanotubes mis sous tension électrique peuvent être utilisés comme une source de champ électrique extrêmement concentrée pour modifier localement la polarisation d'une couche mince ferroélectrique sous-jacente. Ces effets ont été explorés dans cette thèse dans le cadre de la création de transistors à effet de champ ferroélectrique formés par des nanotubes semi-conducteurs déposés sur une couche mince ferroélectrique de Pb(Zr0.2Ti0.8)O3. De tels transistors sont non-volatils tout en permettant une lecture non-destructive. L'utilisation de nanotubes de carbone comme électrode a permis la création et l'étude de domaines ferroélectriques de dimensions nanométriques avec une durée de vie supérieure à 1,5 an
Scanning probe studies of structural and functional properties of ferroelectric domains and domain walls in Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 thin films
No full textIn this thesis, the properties of ferroelectric domains and domain walls in Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 are studied in three research avenues using piezoresponse force microscopy. In the first, the switching dynamics are investigated in the context of crackling physics. The importance of establishing the dynamical regime of domain wall motion at which the system is driven is revealed and tentative spatio-temporal correlations of switching event in the creep regimes recently predicted theoretically are observed. In the second, correlations are studied between the magnitude of domain wall currents and geometrical distortions of the walls, which are both affected by the defect density. These results suggest that the defects affecting the conduction do not predominantly lead to simultaneous distortions of the domain wall as seen from the film surface. In the third, polarization rotations at the crossings of ferroelastic twin domains with enhanced sensitivity to external mechanical force are uncovered
Behavior of Water Adsorbates on Ferroelectric Thin Films
No full textCette thèse explore, à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM), le comportement des charges de surface sur les ferroélectriques, et la manière dont l’eau réagit selon l’orientation de la polarisation.
En complément des techniques AFM, des développements matériels (contrôleur d'humidité) et logiciels ont permis l'étude de l'impact de l'humidité, de la polarisation et de l'application de tensions sur l'évolution des charges de surfaces, ainsi que la croissance de couches d'eau nanométriques. Cette croissance a pu être contrôlée par un choix astucieux de texture de polarisation sur la surface, permettant la création de canal nanométrique confinant la croissance de l'eau de surface.</p
Statistical physics approach to ferroelectrics and biological interfaces
No full textLa physique des systèmes élastiques désordonnés permet d’étudier des systèmes très variés, tel que les côtes des îles anglo-saxonnes érodées par le temps, des fissures se propageant dans le granite, les parois de domaine dans les matériaux ferroïcs, et les fronts cellulaires en prolifération. Ces systèmes hautement complexes sont caractérisés par une compétition entre l’élasticité de l’interface, tendant à lisser les irrégularités, et les perturbations induites par le désordre et les inhomogénéités de l’environnement de l’interface. Cette compétition mène à des interfaces rugueuses, évoluant de manière hautement non-linéaire, décrite par des exposants critique et des classes d’universalités propres. L’avantage de l’approche statistique des systèmes élastiques désordonnés réside dans la puissance des exposants critiques, capturant les classes d’universalité décrivant la physique de telles interfaces, sans nécessiter une compréhension absolue des caractéristiques microscopiques de chaque système. Ceci permet ainsi de comparer et prédire les phénomènes physiques très distinct les uns des autres. Cette thèse se concentre principalement sur deux systèmes à priori très différents pouvant tous deux être décrit comme des systèmes élastiques désordonnés : Les parois de domaine ferroélectrique, et les fronts cellulaires en prolifération.
L’intense recherche sur les matériaux ferroélectriques a récemment permis de démontrer le délicat équilibre entre l’électrostatique, les contraintes mécaniques et l’électrochimie à la surface du matériel. Cet équilibre mène ainsi parfois à des organisations de polarisation particulières, et permet de découvrir des structures complexes ainsi que de nouvelles propriétés des parois de domaine ferroélectrique prometteuses pour de futures applications en nanoélectronique.
Les mécanismes cellulaires collectifs présents à la bordure d’une colonie ont également été longuement étudiés, par la biologie et la médecine. Représentant la plus simple illustration d’une cicatrisation et de la morphogenèse des organismes pluricellulaires. Des études récentes ont permis de tracer la vitesse de chaque cellule composant un front cellulaire ainsi que les forces exercées par celles-ci sur le substrat. En complément, de récentes avancées ont permis de mieux comprendre les similarités entre fronts d’un point de vue de la rugosité et de la dynamique du front.
Bien que ces deux domaines puissent sembler à première vue sans relation, le but de cette thèse est d’illustrer les caractéristiques communes existantes entre les interfaces de contextes aussi différents que ceux-ci mais toutes deux régies par des principes de physique statistique communs. Se basant sur les techniques et la méthodologie développés par l’étude des systèmes désordonnés élastiques, nous tenterons de simplifier la description des interfaces ferroélectriques et cellulaires afin de capturer les principes fondamentaux qui les régissent. Cette épopée nous fera explorer des échelles très diverses, du centimètre d’un front cellulaire à quelques angströms, pour la maille élémentaire d’un pérovskite.</p
Functionalization of carbon nanotube scanning probes for advanced studies of ferroic thin films
No full textFerroic materials at the nanoscale reveal new properties and functionalities as such they are recognized as extremely promising materials from both fundamental and application point of view. One of the major tool used to advance studies of ferroic thin films is the atomic force probe microscopy (AFM). In the present work, we study the synthesis, fabrication, processing, and characterization of carbon nanotube (CNT) scanning probes with a further application to ferroic thin film. Our main results include both experimental and theoretical studies of ultra-high resolution magnetic force microscopy imaging of spin nanostructures of soft magnetic materials with ferromagnetically-coated CNT probes, transport measurements of dielectric-coated-CNT AFM probes, and piezoresponse force microscopy studies of switching dynamics in ferroelectric thin films. Notably, we performed the non-perturbative imaging of spin nanostructures with a resolution higher than that of X-ray microscopy, and at ambient conditions
Exploring Ferroelectric Domain-Wall Dynamics through Power-Law Distributions via Scanning Probe Microscopy
No full textWe here leverage scanning probe microscopy, sensitive to both structural and functional properties of ferroelectric domains, in order to change, measure, and characterise the variety of transitions (and transition-like behaviours in the highly nonlinear dynamics accompanying polarisation reversal or switching) observed, with the end goal of better understanding these nanoscale transitions, for their universality to other systems and applicability to potential future devices. We hope that this work details key technical improvements in the measurement and analysis of power-law dynamics, and key scientific discoveries in describing the behaviour of both their ferroelectric and structural domains
Investigation of the switching and domain wall behaviour in BiFeO3 thin films and mapping of the phase diagram of BiFeO3-LaFeO3 superlattices
No full textMa thèse se concentre sur un matériau nommé BiFeO3, l'un des rares multiferroiques à température ambiante, affichant ferroélasticité, ferroélectricité, ainsi qu'antiferromagnétisme. Le point de départ de cette recherche repose sur le travail intensif expérimental et théorique sur ce matériau, ainsi que sur les progrès de la croissance des couches minces qui permettent non seulement le contrôle au niveau quasi-atomique de la qualité du film, mais aussi de la configuration des domaines ferroélectriques/ferroélastiques. Ce contrôle nous a permis d'examiner de plus près des parois de domaines, tant d'un point de vue fondamental avec une approche statistique des interfaces élastiques ancrées, qu'en fonction de leurs nouvelles propriétés fonctionnelles qui pourraient être utilisée dans des applications futures. De plus, il est aussi possible de fabriquer des hétérostructures épitaxiales de couches minces avec des interfaces bien définies, qui pourraient donner lieu à de nouveaux phénomènes physiques
Local probe studies of the role of surface adsorbates in polarization switching, screening and domain wall functionalities in ferroelectric thin films
No full textLa présente thèse se consacre à l'étude par microscopie à force atomique des propriétés fonctionnelles des domaines et parois de domaines ferroélectriques et leur interaction avec les adsorbats de surface. En particulier, des couches minces de titano-zirconate de plomb sont utilisées comme système modèle pour l'étude de la conduction des parois de domaine. Ces dernières, révélées conductrices dans les échantillons vierges lors d'études précédentes, montrent un comportement bien plus complexe gouverné par la présence ou l'absence des adsorbats de surface. Les études présentées ici donnent non seulement un aperçu fondamental de la physique des domaines et parois de domaines, mais ont également donné lieu à des développements instrumentaux majeurs tels qu'un contrôleur d'humidité à bas niveau de bruit et un algorithme de correction de distorsions d'images basé sur la vision par ordinateur. Ces développements ont permis des études poussées du rôle spécifique de l'eau sur les propriétés des domaines ferroélectriques
Growing up at the nanoscale: studies of ferroelectric domain wall functionalities, roughening, and dynamic properties by atomic force microscopy
No full textLes matériaux ferroélectriques sont caractérisés par une polarisation électrique réversible. Les interfaces séparant deux domaines ferroélectriques, appelées parois de domaines, possèdent des propriétés spécifiques en raison de la brisure locale de symétrie et de l'accumulation de défauts, et ce à l'échelle nanométrique. Cette thèse présente plusieurs de ces propriétés, mesurées par microscopie à force atomique sur des ferroélectriques en couches minces. En premier lieu, il est démontré que la brisure de symétrie modifie les propriétés piézoélectriques aux parois. Puis il est démontré que, bien que le ferroélectrique soit isolant, les parois autorisent le transport de courant électrique via l'accumulation de lacunes d'oxygène. La seconde partie de cette thèse porte sur les propriétés statiques et dynamiques des parois dans le cadre théorique d'interfaces élastiques désordonnées. Il est observé que leur rugosité ainsi que leur réponse dynamique suivent des lois d'échelles doublement influencées par la nature du désordre et les conditions environnementales
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