Résumé :
La discontinuité de la polarisation à la surface d’un matériau ferroélectrique induit des charges fixes qui peuvent déstabiliser l’état ferroélectrique. La structuration en domaines écrante naturellement le champ dépolarisant et maintient la stabilité ferroélectrique. À la surface d’un oxyde ferroélectrique, la structuration en domaines se combine aux réarrangements atomiques pour minimiser l’énergie libre du système. Ainsi, la combinaison de la structuration en domaines avec la reconstruction atomique et les mécanismes de relaxation donnent lieu à une topologie ferroélectrique de surface particulière.
Dans cette thèse, des calculs ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité ont été menés pour explorer le rôle et les interactions de la terminaison de surface, de la contrainte élastique, de l’épaisseur, des lacunes d’oxygène et de la largeur des domaines sur la topologie ferroélectrique de couches ultraminces de BaTiO3(001). Les résultats théoriques sont comparés avec des études de microscopie d’électrons lents et de photoélectrons menés sur des surfaces de monocristaux de BaTiO3(001). Le rôle spécifique de la chimie et de la structure de surface apparaît clé dans la détermination de la topologie ferroélectrique.
Mots clés : ferroélectricité, surface, BaTiO3, calculs ab initio, microscopie d’électrons, spectroscopie.
Topology of the ferroelectric polarization at the BaTiO3(001) surface from ab initio calculations and electron microscopy-spectroscopy
Abstract :
The polarization discontinuity at a ferroelectric surface induces fixed charge which can destabilize the ferroelectric state. Domain ordering naturally screens the depolarizing field and maintains the ferroelectric stability. At the surface of ferroelectric oxide, domain patterns combine with atomic rearrangement to minimize the total free energy of the system. As a result, the combination of domain ordering and atomic reconstruction and relaxation is expected to give rise to specific surface ferroelectric topologies.
In this thesis, first principles calculations using density functional theory have been performed to explore the role and interactions of surface termination, strain, thickness, oxygen vacancies and domain width on the ferroelectric topology of ultrathin BaTiO3(001) films. The theoretical results are compared with low energy electron and photoelectron emission microscopy studies of BaTiO3(001) single crystal surfaces. The specific role of the surface chemistry and structure appears key in determining the ferroelectric topology.
Keywords: ferroelectricity, surface, BaTiO3, ab initio calculations, electron microscopy, spectroscopy
SPEC/LENSIS