Topology of ferroelectric polarization at the BaTiO3(001) surface from ab initio calculations and

170 Pages·2017·16.19 MB·English

by  Jelle Dionot

Topology of ferroelectric polarization at the
BaTiO3(001) surface from ab initio calculations and
electron microscopy-spectroscopy
Jelle Dionot
To cite this version:
Jelle Dionot. Topology of ferroelectric polarization at the BaTiO3(001) surface from ab initio calcula-
tions and electron microscopy-spectroscopy. Other [cond-mat.other]. Université Paris Sud - Paris XI,
2015. English. ￿NNT: 2015PA112182￿. ￿tel-01243180￿
HAL Id: tel-01243180
https://theses.hal.science/tel-01243180
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.

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Abstract
We have investigated the properties of in-plane and out-of-plane
polarization at the (001)surface of the ferroelectric BaTiO , from first-
3
principles calculations and electron microscopy and spectroscopy.
Screening of the depolarizing effects is efficiently performed by do-
main ordering. The effects of surface termination, in-plane strain,
systemsize(slabthicknessanddomainperiodicity)andsurfacestoi-
chiometry (withoxygenvacancies) havebeen studied from abinitio
calculationsbasedondensityfunctionaltheoryunderthelocalden-
sity approximation. The influence of surface oxygen vacancies on
the polarization at the (001) surface of BaTiO single crystals have
3
beenstudiedfromlow-energyandphotoemissionelectronmicroscopy
(LEEMandPEEM).Theresultsprovideanexperimentalsupportto
theresultsobtainedfromthesimulations.
Nous avons étudié les propriétés de surfaces ferroélectriques de
BaTiO (001)polariséesdansleplanethors-plan,àpartirdecalculsab
3
initioetdemicroscopieetspectroscopied’électrons. L’écrantagedes
champs dépolarisants est assuré par la mise en ordre en domaines.
L’effetdelaterminaisondesurface,delacontraintedansleplan,dela
taille dusystème (épaisseurde la couchede matière et périodicitédes
domaines)ainsi que de la stœchiométrieenoxygène ontété étudiés
pardescalculsabinitiobaséssurlathéoriedelafonctionnelledela
densité,dansl’approximationdeladensitélocale. L’influencedesla-
cunesd’oxygènesurlapolarisationàlasurface(001)demonocristaux
deBaTiO aétéétudiéeparmicroscopied’électronslents(LEEM)et
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photoémis(PEEM).Lesrésultatsainsiobtenusapportentunsoutien
expérimentalauxsimulationsnumériques.
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Acknowledgements
Jeremercietoutd’abordmonco-directeuretencadrantdethèse,NickBarrett,qui
m’aconfiécetravaildoctoral,pourtoutl’enseignementquej’aireçudansunenviron-
nementscientifiqueettechniquetrèsprivilégié. Jeremercietrèschaleureusementmon
directeur de thèse, Grégory Geneste, qui a encadré la partie portant sur les calculs
numériquesavecuneconfianceetunoptimismesanségal. Ungrandmercipourtout
l’enseignemententhousiasmantqu’ilm’aprocuré.
J’adressemessincèresremerciementsàFrançoisDaviaud,chefduServicedel’État
CondenséduCEA-Saclay,ainsiqueMyriamPannetier-Lecoeur,responsabledesthèses
auseinduservice,pourtoutleurengagementprofessionneletleurbienveillance. Je
remercieégalementGillesMontambaux,Directeurdel’ÉcoleDoctoralePhysiqueen
Ile-de-France,poursonsuivietsonécoute.
Je remercie les membres du jury pour leur évaluation ainsi que les remarques et
questionsquiontpermisd’apporterdavantaged’éclaircissementsetprécisionsaux
résultatsprésentésdanscemanuscrit. JeremercielesrapporteursIgorKornevetJorge
Íñiguez,ainsiquelesexaminateursOnurMentes¸ etPatrickSoukiassian,présidentdu
jury, pour tous les échanges stimulants dont ils m’ont fait l’honneur ainsi que leur
accueilchaleureuxlorsdelasoutenance.
Au sein de mon groupe, je remercie Claire Mathieu pour tout son soutien et sa
disponibilité, tout au long de mon passage, du stage de Master, furtivement le jour,
jusqu’aux ultimes corrections du manuscrit, tardivement la nuit, et même dans les
momentslesplusdifficiles. JeremercievivementJocelyneLeroy,BrunoDelomezet
ChristopheLubinpourleursoutientechniqueetmoral,annéeaprèsannée.
Àtraverslesdeuxservicesquej’aiconnusauseindel’IRAMISduCEA-Saclay,je
remerciechaleureusementSergePalacin,alorschefduSPSCI,ainsiqueLucBarbier,
alorssonadjointauSPCSIpuisresponsabledesthèsesàl’IRAMIS,ainsiqueCatherine
JulienetChristinePrigian,pourtoutleurengagementetdisponibilitédepuisletout
débutdemon passage. Jeremercie trèsvivementDominiqueMartinotti pourm’avoir
initié au LEEM et avoir été présent de longues heures à mes côtés aux commandes
de cette engin qui n’avait plus de secret pour lui. Je remercie également Frédéric
viii
Merlet qui m’a aidé à de nombreuses reprises à me sortir de situations techniques
délicates, notamment auprès du LEEM. Je remercie enfin Ludovic Douillard, pour
les multiples discussions éclairées sur la microscopie d’électrons, Cindy Rountree,
pour m’avoir initié à l’AFM-PFM, Ludovic Tortech, pour toute sa geekerie souvent
spectaculaire,ainsiqueSylvainLatil,BrunoLectard,YannickDappe,CyrilleBarreteau,
Daniel Bonamy, Fabien Silly, Sylvain Foucquard, Hélène Magnan, Antoine Barbier,
LaurentPham-Van,pourtousles échangesscientifiquesounonettoujoursagréables
auquotidien.
Au-delàdesgrillesduCEA-Saclay,jetiensàremercierlesmembresduLPMSde
l’UniversitédeCergy-Pontoise,dontKarolHricovini,ChristineRichteretOlivierHeck-
mann. Jeremercieégalementlesmembresdel’UnitéMixtedePhysiqueCNRS/Thalès,
dontStéphaneFusil, ManuelBibèset Vincent Garcia. Jeremercie aussichaleureuse-
ment les membres du laboratoire SPMS de l’École Centrale de Paris, dont Brahim
DkhiletIngridCaneroInfante. JeremercieVitaliyFeyerpoursonextrêmegentillesse
etsonaccueiltoujourspositifausynchrotronElettra,àTriesteenItalie.
Unethèsen’existeraitpass’iln’yavaitpasdethésards. J’aieulachancedecroiser
lechemindenombreusesetbellespersonnestoutaulongdemonpassage. Jeremercie
d’abord Maxime Rioult, qui m’a toujours épaulé, avec une constante amitié, gaieté
etindispensablegaillardise. Jeteremerciepourlesdiscussionstrèsvariéesquenous
avonseues,tuasétéunexemplepourmoi. MerciàSaraGonzalez,poursaprésence
et sa gentillesse. Je te souhaite le meilleur pour la suite. Merci à Guillaume Nataf,
d’avoir toujours été là, même à quelques heures de route, pour toute sa présence
et son amitié. Sois heureux ! Merci également à Julien Rault, pour m’avoir mis
sur les rails et encouragé jusqu’au bout. Je remercie également mon collègue de
galèreRuidyNémausat,pourtoutesonamitiéetlestraitsd’espritqu’ilatoujourssu
inspirer. Je te souhaite d’atteindre tout ce que tu vises ! Je remercie également tous
les doctorants, stagiaires et amis que j’ai eu tant de chance de rencontrer durant ce
travail,Jiale Wang,DanielGottlob, XihuiLiang,Vincent Barth,QirongZhu, Quentin
Arnoux,ThomasAghavnian,TiphaineBourgeteau,RomainBrisse,PatrickHsia,Claire
Soum,JérémyHieulle,DavidPeyrot,LaurentNicolaï,LisaLevasseur,CharlesPaillard,
Héloise Tissot, Marina Barlet, Dongzhe Li, Cédric Zobrist, Vincent Martinez, Jelena
Orlovic, Camille Blouzon, Alexandra Senegas, Carole Jégou, Daniel Sando, David
Le Bourdais, Romain Faye, Alexander Van Der Torren, Marten Patt. J’adresse enfin
mes plus vifs remerciements à Jérôme Polesel pour son soutien, les discussions très
enthousiasmantesetenrichissantes,etpoursonchoixdestagiaires.
Cette thèse a pu voir le jourgrâce au support inconditionnelde ma famille et de
mes amis. J’adresse mes premières pensées et remerciements à mes parents. Vous
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m’avez appris à ne pas baisser les bras, à être curieux et à vouloir aller au bout des
choses(parfoistrop...) ;c’estgrâceàvousquej’aipumeneràtermecetravail,pour
toutes les valeurs que vous m’avez enseignées. Je remercie mes frères et ma sœur,
pourleursoutiendanslesmomentsdécisifs. Merciàmestrèschersamisétudiantsde
longuedate;merciàmestrèschersamisduLRSdel’UPMCquim’onttantépaulé;
merciauxParisiensZinzinSetcellesetceuxendevenir,quim’onttoujourssoutenuet
encouragé.
Enfin, je remercie très amoureusement Noémie qui m’a tant soutenu, aidé et en-
couragé mais aussi supporté ! Tu as ouvert et orné un pan entier de ma vie, et ta
présence si bénéfique durant ce travail unique m’a été d’un secours et d’une valeur
infinis.