Study of negative capacitance effect in ferroelectric-paraelectric superlattices

Au fur et à mesure que les composants électroniques se miniaturisent, des limites apparaissent en terme de puissance dissipée et de l’échauffement qui en résulte. Le problème se pose notamment pour les transistors à effet de champ. Le phénomène de capacité négative de ferroélectriques suscite beaucoup d’intérêt car il apparaît comme une solution potentielle pour réduire la consommation de l’énergie des transistors à effet de champ. La stabilisation de ce régime de capacité négative est attendue dans le matériau ferroélectrique lorsqu’il est associé en série à un paraélectrique au sein d’une hétérostructure. Les super-réseaux ferroélectriques / paraélectriques constituent des systèmes modèles pour étudier le phénomène de capacité négative. Notre travail de modélisation utilisant une approche de Kittel révisée, tenant compte à la fois des effets de contraintes et de température, a prédit une capacité négative au sein des super-réseaux Pb(Zr0.2Ti0.8)O3/SrTiO3 et PbTiO3/CaTiO3. Ces deux systèmes ont été étudiés expérimentalement dans le cadre de ce travail. Les super-réseaux ont été élaborés par ablation laser, caractérisés d’un point de vue structural (DRX, MET, AFM) et diélectrique (spectroscopie d’impédance). Dans les super-réseaux Pb(Zr0.2Ti0.8)O3/SrTiO3, nous avons mis en évidence des nanodomaines ferroélectriques à 180°, essentiels à la stabilisation du le phénomène de capacité négative. Les effets électrostatiques ont été confirmés avec la réduction de la température de Curie. L’étude diélectrique en fonction de la température, a mis en évidence la stabilisation de l’effet de capacité négative dans les couches ferroélectriques, en utilisant un modèle de capacités en série. Dans les super-réseaux PbTiO3/CaTiO3, les pertes diélectriques importantes ont empêché l’investigation du régime de capacité négativeElectronic compounds have witnessed the new technology trend of chasing for smaller and smaller devices. However, reducing the sizes has generated a functional limitation like the self-heating of the nonmetric field effect transistors. The ferroelectric negative capacitance phenomenon is gaining a great interest, since it has been proposed as a way to reduce the power consumption of field effect transistors. Negative capacitance effect is expected to be stabilized in a ferroelectric capacitor, when it is connected in series with a paraelectic capacitor. The paraelectric/ferroelectric superlattices provide therefore a model system to investigate the negative capacitance effect. Our modelling work using a modified Kittel approach, which takes into account strain and thermal effects, has predicted a negative capacitance effect in Pb(Zr0.2Ti0.8)O3/SrTiO3 and PbTiO3/CaTiO3 superlattices. For both systems, series of superlattices have been experimentally investigated in this work. Superlattices were grown by pulsed laser desposition, structural characterization (XRD, TEM, AFM) and dielectric investigations were carried out. In Pb(Zr0.2Ti0.8)O3/SrTiO3 superlattices, the presence of 180° stripe polar nanodomains, which are strongly related to the stabilization of negative capacitance, was evidenced. The electrostatic effect was confirmed by a noticeable reduction of the Curie temperature. Temperature-dependent dielectric investigations with impedance spectroscopy have emphasized by using a series capacitor model, a negative capacitance stabilization in the ferroelectric layers. In PbTiO3/CaTiO3 superlattices, high dielectric losses have not allowed to exploit negative capacitance effect