Soutenance de thèse – Thomas Buttiens

Le lundi 14 décembre à 9:30h (auditorium TRT), Thomas Buttiens  soutiendra sa thèse intitulée « Couches minces ferroélectriques de Pb(Zr,Ti)O3 pour des dispositifs spintroniques et électroniques émergents : des gaz d’électrons bidimensionnels à température ambiante aux jonctions tunnel », préparée sous la direction de Manuel Bibes et Thomas Maroutian. 

Membres du jury de thèse:
Bertrand Vilquin, professeur at INSA Lyon, rapporteur
Mathias Opel, chercheur à Walther Meissner Institute (Garching), rapporteur
Nathalie Viart, professeure IPCMS Strasbourg, examinatrice
Laurent Vila, NELLOW, Grenoble, examinateur

Résumé :

La consommation énergétique croissante des technologies de l’information et de la communication nécessite des dispositifs émergents au-delà du CMOS, où les données sont stockées et traitées de manière non volatile. Les ferroélectriques sont de bons candidats : leur polarisation rémanente peut être renversée par un champ électrique à faible énergie et se maintient hors tension. Cet état peut être lu de différentes manières. Dans les jonctions tunnel ferroélectriques (FTJ), il fixe la résistance d’une barrière ultra-mince. Les dispositifs ferroélectriques spin-orbite (FESO) sont des transistors spintroniques où écriture et lecture sont découplées : la polarisation y contrôle le couplage spin-orbite Rashba d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG), de sorte que le signe de la conversion spin-charge (SCC) suit son orientation. Les démonstrations précédentes reposaient sur SrTiO3 (STO), dont l’état quasi-ferroélectrique n’existe qu’à température cryogénique. Cette thèse explore le ferroélectrique Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) comme plateforme pour ces deux familles de dispositifs, pour sa forte polarisation à température ambiante et les prédictions ab initio d’un effet Rashba dépendant de la polarisation.
Des couches épitaxiées de PZT ont été élaborées par ablation laser pulsée sur des électrodes de SrRuO3 (SRO), sur différents substrats. La diffraction et la réflectivité X et la microscopie à force atomique confirment des couches monophasées, contraintes et planes, tandis que la microscopie à force piézoélectrique (PFM) et les cycles de polarisation montrent une commutation robuste, avec une polarisation à saturation jusqu’à 95 µC/cm² et une endurance supérieure à 10^10 cycles.
Pour induire un 2DEG, une couche ultra-mince d’Al a d’abord été déposée directement sur le PZT, l’Al s’oxydant en pompant l’oxygène de l’oxyde sous-jacent. La spectroscopie de photoémission et la microscopie électronique montrent que cette réaction réduit le Ti mais produit aussi du Pb métallique, qui migre dans l’AlOx, et les couches sont isolantes. Une fine couche de STO entre le PZT et l’Al empêche la réduction du Pb. Avec des épaisseurs de STO et d’Al optimisées et un recuit, un 2DEG métallique se forme à la surface du STO (résistance carrée ≈ 10 kΩ, densité de porteurs ≈ 2×10^14 cm^-2, mobilité ≈ 2 cm²/Vs). Des cycles de polarisation mesurés avec le 2DEG comme électrode supérieure démontrent qu’il coexiste avec une polarisation commutable. Le pompage de spin depuis une couche ferromagnétique met en évidence une SCC dans ce 2DEG, mécanisme de lecture des dispositifs FESO.
Pour réaliser des dispositifs, l’empilement doit être structuré, sans quoi l’électrode de SRO court-circuite le 2DEG. Lors de la fabrication de barres de Hall à grille ferroélectrique et de dispositifs FESO, les principaux obstacles identifiés sont : création de défauts lors de la gravure, dégradation du 2DEG lors de la lithographie et barrières de potentiel entre électrodes et 2DEG. Ces résultats permettent de formuler des recommandations pour de futurs dispositifs.
Enfin, des couches ultra-minces de PZT ont été élaborées pour atteindre le régime tunnel, puis intégrées dans des FTJ. La PFM montre une ferroélectricité jusqu’à quelques nanomètres. Des jonctions SRO/PZT/Co/Au de différentes tailles ont été caractérisées par sonde locale, et des mesures en impulsions montrent une commutation de résistance reproductible et non volatile. Pour des études statistiques, un procédé de structuration compatible avec le test automatique a été développé avec SPINTEC, transférable à d’autres ferroélectriques.
Ce travail établit les hétérostructures de PZT comme une plateforme polyvalente pour les dispositifs ferroélectriques émergents : avec un tampon de STO, elles permettent de former un 2DEG à température ambiante coexistant avec une polarisation commutable, première étape vers les dispositifs FESO, et à très faible épaisseur, le PZT permet une commutation résistive non volatile dans des jonctions tunnel.