Ferroélectriques à l'échelle nanométrique sur silicium – FEAT

La fonctionnalité essentielle des ferroélectriques provient de la possibilité de renverser la polarisation sous l’application d’un champ électrique. Lorsque la taille du ferroélectrique décroit, la polarisation peut devenir instable, non renversable ou extrêmement faible à cause de l’absence ou de l’asymétrie dans les charges d’écrantage de surface et de leur redistribution au cours du renversement. Il a récemment été montré que la polarisation ferroélectrique peut être renversée dans des films BaTiO3 aussi minces que 1.6 nm déposés sur Si. Dans ce projet, nous voulons étudier la ferroélectricité de nanostructures très minces sur semiconducteurs mais aussi ayant des dimensions latérales submicrométriques. Nous aborderons ainsi de nouveaux aspects de la ferroélectricité à l’échelle nanométrique avec en perspective l’intégration de ferroélectriques sur semiconducteur pour des applications en nanoélectronique et en photonique intégrée.

Nous souhaitons relever plusieurs défis technologiques en relation avec la fabrication de nanostructures d’oxyde complexe sur substrat plan de Si. L’ALD, la gravure ionique réactive et l’usinage par faisceau d’ion He seront mis en œuvre pour préparer des nanostructures cylindriques de hauteur et de diamètre variables (2-100nm x 50-800 nm). Nous aborderons différents sujets aux frontières de la connaissance actuelle sur la ferroélectricité sur semiconducteur. Puisque dans les nanostructures la surface contribue de façon importante voire plus importante que le volume, l’écrantage chimique va rentrer en compétition avec la formation des domaines dans l’abaissement de l’énergie de dépolarisation ; nous étudierons ces aspects fondamentaux pour le contrôle de la polarisation. Nous utiliserons la microscopie/spectroscopie à force piezoélectrique pour imager les domaines et explorer la contribution complexe des états électrochimique et ferroélectrique qui pourraient même induire un état mixte ferro-ionique. La spectroscopie Raman et l’analyse géométrique de phase à partir d’images TEM de structure atomiques seront comparées à la diffraction de rayons X pour étudier la contrainte dans les nanostructures. Nous développerons aussi des méthodologies de microscopie électronique en transmission avancée pour cartographier la direction et l’amplitude de la polarisation à l’échelle nanométrique afin de comprendre les effets des conditions aux limites et de la forme des nanostructures sur la distribution de la polarisation (fermeture de flux, vortex). Enfin, nous nous intéresserons à la durée du renversement de la polarisation de nanostructures ferroélectriques par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde et diffraction de rayons X ultrarapide avec une source plasma de laboratoire ou avec le rayonnement synchrotron de Bessy II. Par ailleurs, la formation et le renversement de domaines seront étudiés par MET in situ sous champ électrique appliqué. Cette approche menée au CEMES avec un microscope dédié est à la frontière du développement technologique actuel et n’a jamais été démontrée sur des ferroélectriques sur semiconducteur. Le couplage de l’in situ TEM et de la diffraction ultra rapide contribuera de façon unique à la connaissance de la dynamique des films et nanostructures de BaTiO3.

Pour conclure, nous souhaitons traiter de sujets à la frontière de la connaissance actuelle sur la ferroélectricité à l’échelle nanométrique sur Si avec l’espoir de faire des découvertes marquantes. Par ailleurs, les nanostructures étudiées dans FEAT constituent les briques élémentaires de nombreuses applications potentielles en nanoélectronique et en photonique intégrée.