Growth and complete characterizations of artificial ferroics structures based on FE and AFE materials : performances comparison in terms of CME coupling and permeability tunability

Autor: Han, Liuyang
Přispěvatelé: Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Département Opto-Acousto-Électronique - UMR 8520 (IEMN-DOAE), Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Université Polytechnique Hauts-de-France, Denis Remiens, Freddy Ponchel, STAR, ABES, Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université Polytechnique Hauts-de-France, 2019. English. ⟨NNT : 2019UPHF0006⟩
Popis: The magnetoelectric (ME) coupling effect, a coexistence of electrical polarization and magnetization in multiferroic materials, has been widely investigated, both from a fundamental science perspective and an application point of view. Many researchers have devoted their efforts to realize electric field (E) control of magnetism, instead of a magnetic field (H), i.e., converse magnetoelectric (CME) coupling effect. The CME effect can be realized in ferromagnetic (FM)/ferroelectric (FE) composites with an elastic strain mediation, which enables the development of novel multiferroic devices such as information storage, microwave tuning, and multi-function electronic devices. FE materials have been intensively used in multiferroic composites to obtain a significant CME coupling effect. The FM/FE composites have achieved significant advancements because of the considerable E-induced strain in FE phases. The antiferroelectric (AFE) materials also undergo large deformation under the application of E, and large E-induced strain is generated. However, very few works have reported the CME coupling effect in AFE-based multiferroic composites. In our work, a series of ME heterostructures were investigated for the fundamental understanding of AFE-based multiferroic heterostructures and the differences in the performances of AFE- and FE-based multiferroic heterostructures. The AFE ceramic and FE ceramic, (Pb, La)(Zr, Sn, Ti)O₃ (PLZST) and Pb(Mg, Nb)O₃-Pb(Zr, Ti)O₃ (PMN-PZT), were prepared as substrates to deposit FM films. Then the NiMnGa (NMG) alloys, the ferrite Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) film, and uniaxial [(TbCo₂)/(FeCo)]₂₀ (TCFC) films were used to couple with AFE and FE materials. The work first included a study of the strain-mediated CME coupling manipulation in NMG/PLZST/NMG heterostructure. The NMG/AFE heterostructures have been reported several times, but the E control of magnetization has never been reached. Here, the CME coupling effect in AFE-based heterostructure has been first revealed. The magnetization of NMG film changes rapidly at the switching fields of PLZST. At 0 Oe, the magnetization change of NMG film reaches the maximum (15%). Secondly, the ferrite YIG films deposited on PLZST and PMN-PZT ceramic substrates were studied. The CME coupling effect in YIG/PLZST and YIG/PMN-PZT was carried out, and the differences of CME performance in AFE- and FE-based ME heterostructure were revealed. The considerable E-induced strain in AFE substrate leads to maximum in-plane CME coefficient (αCME =11.6 × 10⁻⁸ s/m) at 0 Oe and a maximum of in-plane relative magnetic susceptibility change (∆χ/χ0 =33%) with a low magnetic field of 10 Oe in YIG/Pt/PLZST/Pt heterostructure. The maximum of in-plane αCME (18.15 × 10⁻⁸ s/m) is observed when H = 25 Oe. The part of work demonstrated the electric-field induced strain plays a crucial role in the CME coupling effect. The different strain evolutions of substrates favors the difference in the CME coupling effect of YIG/AFE and YIG/FE. Thirdly, we investigated the CME coupling effect of uniaxial TCFC films on PLZST and PMN-PZT substrates along different axes. A significant manipulation by E can be realized along the hard axis of TCFC film, and a reverse transition of M-E curves occurs. In TCFC/PLZST, the maximum of αCME is at 500 Oe with a value of 12.7×10⁻⁸ s/m. In TCFC/PMN-PZT, the maximum of αCME reaches 136.6 ×10⁻⁸ s/m with a bias H = 300 Oe. Along the easy axis and out-of-plane direction, the CME coupling effect has also been discussed. Finally, the YIG/AFE and YIG/FE heterostructures have been prepared in the full thin-film form to explore the CME coupling effect. The results indicate that a FM phase with a strong magnetic response along OOP direction is needed for Magnetic Force Measurement (MFM) to evaluate the ME performance of these structures.
Le couplage magnéto-électrique (ME) a été largement étudié, tant du point de vue fondamental que du point de vue expérimental. Ce phénomène se manifeste dans certains matériaux multiferroïques où coexistent à la fois une polarisation électrique et une aimantation spontanée que rend possible le contrôle de la polarisation électrique à partir d’un champ magnétique extérieur (couplage ME direct ou DME); le contrôle de l’aimantation de la structure à partir d’un champ électrique (couplage ME inverse ou CME). Le travail présenté dans ce mémoire concerne essentiellement les multiferroïques artificiels. Ces structures sont obtenues, le plus souvent, grâce à l’association d’un matériau ferroélectriques (FE) et un matériau ferromagnétique (FM). La déformation du matériau FE contraint le matériau FM à se déformer ce qui engendre une modification de son aimantation ; un coefficient CME est alors observé. Cette déformation peut également être obtenue en utilisant un matériau anti-ferroélectrique (AFE). Cependant, très peu de travaux ont été publiés sur le sujet. Ce constat nous a conduit à envisager l’étude de l'effet du couplage CME dans les composites multiferroïques à base d’AFE. Une part du travail décrit dans cette thèse consiste ainsi à comparer les performances obtenues dans les hétérostructures FM/FE et les hétérostructures FM/AFE. Les substrats AFE et FE utilisés dans ces hétérostructures sont respectivement les (Pb, La)(Zr, Sn, Ti)O₃ (PLZST) et les Pb(Mg, Nb)O₃-Pb(Zr, Ti)O₃ (PMN-PZT) céramiques. Les matériaux magnétiques utilisés sont quant à eux déposés par pulvérisation cathodique sur les substrats précités. Il s’agit de l’alliage NiMnGa (NMG), de la ferrite Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) et du [(TbCo₂)/(FeCo)]₂₀ (TCFC). En premier lieu, une étude de la manipulation de l’aimantation dans l’hétérostructure NMG/PLZST/NMG a été réalisée. Au voisinage de la transition AFEFE du PLZT un changement abrupt de l’aimantation du film de NMG a été observé. Dans le cas présent, elle atteint un maximum d’environ 15% lorsque le champ magnétique est absent (0 Oe). Nous nous sommes ensuite consacrés à l’étude comparative des hétérostructures FM/AFE et FM/FE. Premièrement, le matériau ferromagnétique est le grenat de fer et d'yttrium (YIG). Des couches minces de YIG ont ainsi été déposé es sur des substrats céramiques Pt/PLZST/Pt et Pt/PMN-PZT/Pt. Dans cette partie, nous nous sommes principalement focalisés sur l’aimantation en fonction du champ électrique appliqué, le coefficient CME (αCME), et la susceptibilité magnétique relative (∆χ/χ0). Dans le cas de l’hétérostructure YIG/Pt/PLZST/Pt (FM/AFE), le coefficient CME maximum (αCME =11.6 × 10⁻⁸ s/m) est obtenu pour un champ magnétique nul alors que la valeur maximale de la susceptibilité magnétique relative (∆χ/χ0 =33%) est observée pour un champ magnétique de 10 Oe. Concernant l’hétérostructure YIG/Pt/PMN-PZT/Pt (FM/FE), les résultats obtenus sont les suivants : αCME =18.15 × 10⁻⁸ s/m sous un champ magnétique de 25 Oe, ∆χ/χ0 =65% sous un champ de 20 Oe. Les propriétés ferromagnétiques du matériau TCFC fond de lui un candidat de choix pour les applications mémoires où de fortes variations de l’aimantation sont attendues. Dans le but de poursuivre notre progression dans l’analyse du couplage CME, les structures réalisées sont les suivantes : TCFC/PLZST/Au et TCFC/PMN-PZT/Au. Il est à noter que lorsque l’aimantation du TCFC est mesurée selon l‘axe difficile, nous constatons une inversion de la courbes M-E : les minimas deviennent des maximas et inversement. Le coefficient CME peut atteindre une valeur significative de 136.6 ×10⁻⁸ s/m sous 300 Oe. La dernière partie de ce travail est une tentative d’intégration de ces composants ME en technologie silicium. Deux hétérostructures (YIG/PZT et YIG/PZ) ont été synthétisés.
Databáze: OpenAIRE
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