Ferroelectric and piezoelectric materials

La croissance de films minces de matériaux multifonctions inorganiques est réalisée essentiellement sur Silicium (perspective intégration) ; les dépôts sont effectués par pulvérisation cathodique radio fréquence magnétron (les cibles sont élaborées au laboratoire).

L’équipe a une expertise de plus de 15 ans dans ce domaine. Des analyses physico chimiques fines et poussées sont associées à cette activité de croissance (SEM, AFM, RBS, TEM, …) afin de corréler les propriétés électriques et magnétiques des films à leur structure, micro structure, interfaces…

Les matériaux étudiés et aujourd’hui parfaitement maîtrisés sont le PZT, PMN-PT, ZnO, LiNbO3, … Depuis 2 ans l’activité s’est orientée vers la croissance de films piézoélectriques sans Plomb. Plus récemment des études sur les structures ferroïques artificielles ont été initiées afin de mettre à profit le couplage magnétoélectrique.

Cette phase de croissance de matériaux « pleine plaque » étant contrôlée, c’est tout naturellement que les activités se sont orientées vers la mise en plaque de briques technologiques de base pour la fabrication d’actionneur / capteur à l’échelle micro (MEMS) et nano (NEMS). Un investissement technologique conséquent a été développé pour adapter les technologies de la micro électronique (gravure, métallisation,…) à nos structures.

Des activités plus récentes se sont développées au sein de l’équipe : il s’agit de fabriquer des films minces ferroélectriques ayant une forte potentialité dans le domaine des télécommunications sans fil comme par exemple des filtres accordables en fréquences.

La « tunabilité » du BST et de tout autre matériau présentant une forte « tunabilité »et de faibles pertes à hautes fréquences est donc mise à profit afin d’étudier des nouvelles structures ferroïques artificielles et évaluer leurs coefficients de couplages magnétoélectriques. Les applications potentielles s’inscrivent également dans les circuits intégrés pour les télécommunications sans fil avec notamment la fabrication de bobines variables commandées par champ électrique.

Résultats majeurs

Figure 1.1 : PZT Nano island of 50µm diameter and PFM signal measured on this nano island. Even at this diameter a piezoelectric effect was observed.

Figure 1.2 : BST thin film deposited on Si/SiO2 and micro strip line, the distance between the lines is 1 µm (optical lithography).

Figure 1.3 : Variation of the permittivity, loss factor and characteristic impedance of BST film at 5 and 60GHz.

Figure 1.4 : P (E) on a Sn-doped PZ films and variations of the energy density as a function of E.

Figure 1.5 : Artificial ferroics hetero structure: Pt/PMN-PZT ceramic/Pt/YIG film and Evolution of the converse magnetoelectric coupling as a function of H.

Articles principaux

[1] J.Y. Lian et al, Appl. Phys. Lett. 112, 16 (2018) 162904
[2] S. Abou Dargham et al, J. Eur. Ceram. Soc. 38, 4 (2018) 1450-1455
[3] X. Guo et al, Thin Solid Films 632 (2017) 93-96
[4] A. Ghalem et al, J. Am. Ceram. Soc. 98, 12 (2015) 3807-3812
[5] A. Hamieh et al, J. Am. Ceramic Soci., 104, 9 (2021) 4381-4388

Travaux en cours – Prospectives

  • Optimisation des technologies MEMS et NEMS : photolithographie électronique, gravure RIE-ICP, …
  • Caractérisations à l’échelle micro et nano des dispositifs réalisés : microscopie champ proche,
  • Etude de la structure micro ruban pour la réalisation de composants hyper fréquences accordables,
  • Modélisation des actionneurs/ capteurs par une approche éléments finis

Collaborations

  • LAAS, FEMTO, CRISMAT, LETI, INSA LYON, ONERA (Chatillon)
  • ST (Crolles, Tours), SKF
  • SICCAS, SIMIT, ECNU, CNRST, Inst. Physique Kiev, Univ. Aveyro (CICECA), Univ. Liberec, Univ. Cambridge

Responsable : Denis Rémiens (@email)