Titre de la thèse : Croissance par pulvérisation cathodique

Etude des conditions de croissance de films minces de PZT/TERFENOL-D et de leur
influence sur les propriétés magnéto-électriques et magnéto-capacitives.
Le couplage « magnéto-électrique » (ME) correspond à la modification de l’aimantation
sous l’action d’un champ électrique, et réciproquement à la modification de la polarisation
électrique sous l’action d’un champ magnétique. Il peut être obtenu via les déformations
mécaniques résultant de la piézoélectricité (PZT) et de la magnétostriction (Terfenol). De très
nombreuses applications sont envisageables grâce à cet effet, mais la réalisation de dispositifs
ME en couches minces n’en est qu’à ses tout débuts.
Certains matériaux, notamment sous forme de films minces, présentent un couplage
magnéto-capacitif entre le champ magnétique appliqué et leur constante diélectrique. On peut
par exemple observer de tels couplages magnéto-capacitifs dans des matériaux semiconducteurs élaborés sous forme de diode, avec des variations de capacités de 15% à
température ambiante, sans qu’aucun effet magnéto-électrique intrinsèque au matériau ne soit
présent. Les effets magnéto-capacitifs proviennent dans ce cas de l’influence du champ
magnétique sur les zones de charges d’espace du matériau. L’étude du couplage magnétoélectrique nécessite donc de tenir compte de ces effets extrinsèques particulièrement présents
dans le cas des films minces.
Le sujet de thèse proposé porte sur l’étude d’une hétéro-structure réalisée en couches
minces par pulvérisation cathodique, contenant un matériau magnétique (le Terfenol-D) et un
matériau ferroélectrique (le PZT). Le travail comportera trois grandes parties :
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Le premier objectif sera d’optimiser l’empilement des deux matériaux actifs
(Terfenol-D et PZT) sur un substrat compatible avec les procédés actuels de la
microélectronique : le Pt/TiO2/SiO2/Si. Parmi les points à étudier on peut citer les
épaisseurs des différents films, leurs compositions respectives ainsi que la nature et
l’épaisseur d’une couche anti-diffusion à placer entre les deux matériaux actifs ;
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Le deuxième objectif sera d’étudier les propriétés magnéto-électriques de
l’empilement PZT/Terfenol-D, afin de pouvoir séparer les contributions intrinsèques
(magnéto-électriques et magnéto-capacitives liées aux déformations mécaniques à
l’interface PZT/Terfenol-D) et extrinsèques (magnéto-capacité liée aux charges
d’espaces), ce qui n’a jamais été réalisé dans la littérature jusqu’à présent ;
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Enfin le troisième objectif sera de relier les propriétés magnéto-électriques et
magnéto-capacitives
de
l’hétéro-structure
PZT/Terfenol-D
aux
paramètres
d’élaboration afin d’obtenir les effets les plus importants.
Ces travaux s’inscriront à la suite de la thèse de Joris More-Chevalier actuellement en
cours (3ème année) et qui concerne déjà l’élaboration d’hétéro-structures Terfenol /PZT, ainsi
que la réalisation de premiers dispositifs. Ce travail exploratoire a permis la mise en évidence
d’un grand nombre de difficultés pour la réalisation des dispositifs complets Terfenol/PZT.
Des résultats sur des mesures magnéto-capacitives ont été obtenus, mais le sujet proposé
devrait permettre d’améliorer le dispositif lui-même et principalement de caractériser les
hétéro-structures en fonction des conditions d’élaboration.
Pour réaliser ce projet, l’étudiant pourra utiliser deux bâtis de dépôt par pulvérisation
cathodique et s’appuyer sur les outils d’analyse existants au laboratoire (XRD, MEB, MET,
bancs de caractérisation des propriétés ferroélectriques et ferromagnétiques). La présence au
CRISMAT d’une salle blanche et comprenant tout le matériel de lithographie et de gravure
nécessaire à la réalisation des dispositifs permettront à l’étudiant de pouvoir réaliser la totalité
des très nombreuses étapes expérimentales du projet au sein du laboratoire. Cependant
certaines caractérisations pourront éventuellement être développées grâce à des collaborations
extérieures, notamment pour des mesures de magnétostriction ou des observations en MFM.