Diffraction des Rayons X Opérando appliquée aux films fonctionnels et dispositifs

Piezoelectric and ferroelectric thin films are essential in many applications such as sensors, actuators, pyroelectric devices or advanced memories and are under active research and development in the CEA-LETI. The improvement of the materials and related integration processes are crucial for the improvement of the performance of the final devices. This mission consists of not only enhancing the material properties but also alleviating the aging effect as well as improving the time to breakdown in realistic working condition. As a result, a better comprehension of the relation between the structural parameters and the functional properties is needed. To address this problem, the simultaneous measurement of electrical response and the structural information provided by X-ray Diffraction (XRD), or in situ biasing XRD, is particularly relevant due to the ability to obtain a wide range of structural information. The objective of the PhD project was threefold. Firstly, the experimental setup for in situ biasing XRD existing in our platform has been upgraded. Then original experiments on the newly developed setup on both laboratory and synchrotron X-ray sources were performed. Finally, data analysis has provided new insights into the material which are useful to understand and predict the macroscopic response of the films and devices. The PhD work has been focused on the prototypes of Lead Zirconate Titante (PZT) where the structural evolution during electrical ageing and the mobility of domains at both macroscopic and grain-scale were quantified. Due to the Morphotropic phase boundary composition of the sample, the (200) XRD peak with triplet profile was obtained, corresponding to the three domain variants in the sample: c-, a-domain with tetragonal structure and r-domain with rhombohedral structure. By doing the 3-peak fitting using the pseudo-Voigt model, the parameters corresponding to the three domain variants was achieved, such as the position, intensity and full width half maximum (FWHM) of the peak. These information have been used to extract different parameters of the sample, such as the strain, the ratio of different domain variants and the size of crystallite, respectively. Under applied DC and AC electric field, the evolution of these parameters was followed, which gave information about the domain behavior under DC and AC field at both macroscopic scale and grain-scale. Last but not least, from the strain in each type of domain, the average strain generated by the sample under electric field was calculated, which allowed to deduce the efficient piezoelectric coefficient d33,eff.Keywords: piezo/ferroelectric thin films, morphotropic phase boundary, in situ biasing X-ray diffraction, grain-scale analysis, electrical characterizationLes couches minces piézoélectriques et ferroélectriques sont essentielles dans de nombreuses applications telles que les capteurs, les actionneurs, les dispositifs pyroélectriques ou les mémoires avancées et font l'objet d'une recherche et développement active au CEA-LETI. L'amélioration des matériaux et des processus d'intégration associés est cruciale pour l'amélioration des performances des dispositifs finaux. Cette mission consiste non seulement à améliorer les propriétés du matériau, mais également à atténuer l'effet du vieillissement ainsi qu'à améliorer le temps de panne dans des conditions de travail réalistes. Par conséquent, une meilleure compréhension de la relation entre les paramètres structuraux et les propriétés fonctionnelles est nécessaire. Pour résoudre ce problème, la mesure simultanée de la réponse électrique et des informations structurelles fournies par la diffraction des rayons X (DRX), ou in situ biasing DRX, est particulièrement pertinente en raison de la possibilité d'obtenir une large gamme d'informations structurelles. L'objectif du projet de doctorat était triple. Tout d'abord, la configuration expérimentale pour la in situ biasing DRX existant dans notre plate-forme a été mise à jour. Ensuite, des expériences originales sur la configuration nouvellement développée sur des sources de rayons X de laboratoire et synchrotron ont été réalisées. Enfin, l'analyse des données a fourni de nouvelles informations sur le matériau qui sont utiles pour comprendre et anticiper la réponse macroscopique des films et des dispositifs. Le travail de thèse s'est concentré sur les prototypes de Titano-Zirconates de Plomb (PZT) où l'évolution structurale au cours du vieillissement électrique et la mobilité des domaines à la fois macroscopique et à l'échelle du grain ont été quantifiées. En raison de la composition de la limite de phase morphotrope de l'échantillon, le pic DRX (200) avec profil de triplet a été obtenu, correspondant aux trois variantes de domaine de l'échantillon : c-, a-domaine avec structure tétragonale et r-domaine avec structure rhomboédrique. En effectuant l'ajustement à 3 pics à l'aide du modèle pseudo-Voigt, les paramètres correspondant aux trois variantes de domaine ont été obtenus, tels que la position, l'intensité et la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) du pic. Ces informations ont été utilisées pour extraire différents paramètres de l'échantillon, tels que la déformation, la proportion des différents variants de domaine et la taille de la cristallite, respectivement. Sous champ électrique DC et AC appliqué, l'évolution de ces paramètres a été suivie, ce qui a donné des informations sur le comportement du domaine sous champ DC et AC à l'échelle macroscopique et à l'échelle du grain. Enfin, à partir de la déformation dans chaque type de domaine, la déformation moyenne générée par l'échantillon sous champ électrique a été calculée, ce qui a permis de déduire le coefficient piézoélectrique efficace d33,eff.Mots-clés: couches minces piézo/ferroélectriques, frontière de phase morphotropique, in situ biasing diffraction des rayons X, analyse à l'échelle du grain, caractérisation électriqu