Ordre cationique dans Ga2-xFexO3 : caractérisation à l'échelle atomique de murs de polarisation dans un multiferroïque

International audienceLes oxydes multiferroïques magnéto-électriques sont des matériaux très prometteurs pour des applications en électronique car leurs propriétés magnétiques peuvent être manipulées par un champ électrique. Le contrôle de la polarisation électrique dans des films minces multiferroïques fait l'objet d'une recherche intense, et ces dernières années l'étude des parois de domaines ferroélectriques et de leur mobilité ont particulièrement attiré l'attention. La polarisation ferroélectrique dans la phase GaxFe2-xO3 est liée à la polarisation de la structure. Elle peut être facilement observée le long de l'axe c (structure Pna21, isomorphe à epsilon-Fe2O3). Les couches minces que nous avons étudiées sont composées de nano-grains colonnaires ayant l'axe c parallèle à l'axe de croissance. Ces grains peuvent être traversés par des parois perpendiculaire à l'axe c sur lesquelles la polarisation s'inverse. Ces parois séparent des domaines dont les polarisations sont soit « face à face » soit « dos à dos ». Si les images HR-STEM montrent que l'inversion de polarisation se fait sur un plan (Fig. 1), elles ne permettent pas de comprendre la rupture de symétrie occasionnée par l'inversion de polarisation. Les cartographies STEM-EELS spatialement résolues permettent de visualiser l'ordre ionique dans les grains (Fig. 2). Elles montrent que le gallium est majoritairement en site tétraédrique alors que le fer occupe les sites octaédriques. La structuration ionique a été caractérisée dans les parois de domaines. Elle présente des différences importantes suivant les polarisations qu'elles séparent (face à face ou dos à dos). Un certain désordre ionique y est aussi visible. Les murs de polarisation présentent souvent une marche à 45° dans lesquelles il y a un déficit en gallium. La structure des parois de polarisation et le désordre ionique local suggèrent une grande mobilité ionique qui est nécessaire au déplacement des parois de domaine lors de l'inversion de polarisation sous champ électrique. Sur la base des observations chimiques à l'échelle atomique et de celle d'une certaine mobilité à partir des zones à 45°, activée par le faisceau d'électrons, des mécanismes d'inversion de polarisation par déplacement des parois de domaines seront discutés