Wafer-scale integration of piezoelectric actuation capabilities in nanoelectromechanical systems resonators

In this work, we demonstrate the integration of piezoelectric actuation means on arrays of nanocantilevers at the wafer scale. We use lead titanate zirconate (PZT) as piezoelectric material mainly because of its excellent actuation properties even when geometrically constrained at extreme scal

Wafer-scale integration of piezoelectric actuation capabilities in nanoelectromechanical systems resonators

In this work, we demonstrate the integration of piezoelectric actuation means on arrays of nanocantilevers at the wafer scale. We use lead titanate zirconate (PZT) as piezoelectric material mainly because of its excellent actuation properties even when geometrically constrained at extreme scal

E -tunable magnetic susceptibility and reversible magnetization switching in YIG/Pt/PMN-PZT/Pt heterostructure by low electric and magnetic fields

International audienc

Etude et realisation d'un modulateur electro-optique sur arseniure de gallium

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Élaboration et caractérisations de films ferroélectriques relaxeurs de PMN-PT (intégration sur silicium et applications MEMS)

Par souci de miniaturisation, nous assistons à l'émergence des microsystèmes de type MEMS (voir de type NEMS). L'objectif de ces travaux est d'étudier un matériau actif très prometteur pour ce type d'applications de part ses propriétés électromécaniques exceptionnelles: le PMN-PT. L'élaboration de couches minces de PMN-PT a été optimisée. L'étude montre qu'il est possible de cristalliser le PMN-PT dès 400C quel que soit le pourcentage de PT, où le type d'électrode (TiOx/Pt et LNO) considéré. Une nucléation dans le volume du film a été mise en évidence et pourrait être à l'origine d'un mécanisme de cristallisation tout à fait atypique. La comparaison des performances diélectriques, ferroélectriques et électromécaniques du PMN-PT déposé sur TiOx/Pt (pulvérisation cathodique) et sur LNO (sol-gel), a permis de mettre en avant une forte dépendance de ces propriétés vis à vis de l'orientation et des interfaces films/électrode, en faveur des films déposés sur LNO. Le caractère relaxeur est d'autant plus présent que la température de recuit des films est optimale. Les dépôts de LNO par pulvérisation cathodique ont engendré un gain important sur les performances du PMN-PT, en particulier grâce à la réalisation d'électrodes supérieures. Ce point marque là aussi toute l'importance du rôle joué par les interfaces inférieures et supérieures dans la réponse globale de la structure électrode/PMN-PT/électrode.For miniaturization considerations, emergence ofMEMS has been observed. The objective ofthis study is to examine a very promising active material for such applications, with exceptional e1ectromechanica1 properties: PMN-PT. The deve10pment of thin 1ayers of PMN-PT has been optimized. The study shows that it is possible to crystallize PMN-PT at 400 C independently of the considered PT percentage or bottom e1ectrode nature (TiOx / Pt and LNO). Volumic nucleation, which could be at the origin of a quite atypical crystallization mechanism, has been highlighted in thin films. The dielectric, ferroe1ectric and electromechanica1 performances comparison of PMN-PT deposited on TiOx / Pt (sputtering) and LNO (solgel), shows a strong dependence of these properties with respect to the orientation and interfaces films / electrode, with an advantage for films deposited on LNO. Relaxor behavior is more and more pronounced as annealing temperature becomes optimal. LNO Sputtering deposition have permit to improve PMN-PT performances, in particular through top electrodes achievement. This underline the importance of the role played by the interfaces in the overall response of the structure e1ectrode / PMN-PT / e1ectrode.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Gravure par faisceau d'ions de films minces de titano-zirconate de plomb (PZT) (étude des dégradations engendrées et contribution à l'intégration aux microsystèmes)

Ces travaux, relatifs à la gravure par faisceau d'ions de films minces de PZT, présentent un ensemble de résultats pouvant être scindés en deux parties. Tout d'abord, nous avons mené une étude originale dont le but est de tenter d'appréhender les mécanismes d'interactions entre un faisceau d'ions (réactifs ou non) et la surface du PZT. Nous avons pu mettre en évidence diverses dégradations du matériau, aussi bien microstructurales qu'électriques, dégradations qui évoluent en fonction des paramètres de gravure, et en particulier du gaz utilisé (argon pur ou mélange Ar/CHF3). Notre objectif a alors été de distinguer l'implication de chaque contribution (bombardement ionique et réaction chimique) dans les modifications observées. En parallèle, dans un souci d'intégration du PZT aux microsystèmes, un travail d'optimisation des vitesses de gravures, du choix du masque et de la qualité des profils de gravure a été réalisé. Quelques exemples de réalisation de dispositifs intégrant une étape de gravure du PZT sont présentés.First of all, we have carried out an original study of which the aim is to try to understand the mechanisms of interactions between an ion beam (reactive or not) and the PZT surface. We have underlined various degradations of material, as well microstructural as electrical. These damages evolve according to the etching parameters and in particular the etching gas ( pure argon or Ar/CHF3 mixture). Then, the goal was to distinguish the implication from each contribution (ion bombardment and chemical reaction) in the modifications observed. Simultaneously, in concern for the PZT integration in microsystems, a work of optimization of etch rates, mask choice and quality of etching profiles has been performed. Some examples of realization of devices integrating a stage of PZT etching are presented.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Etude des effets d'interface sur les propriétés en basse fréquence des couches minces ferroélectriques de Pb(Zr,Ti)O3

Les titano-zirconate de plomb PbZrTiO3 (PZT) de structure pérovskite sont largement utilisés dans l industrie de l électronique en raison de leurs excellentes propriétés diélectriques et électromécaniques. Le contexte actuel de l innovation technologique est la miniaturisation et l allègement des produits tout en en garantissant une fiabilité accrue. Aujourd hui, nous sommes dans l ère de la nanotechnologie et à cette échelle les effets d interface Electrode/Ferroélectrique sur les propriétés des structures appelées classiquement MIM (Métal/Isolant/Métal) deviennent substantiels. L objectif de cette thèse est d étudier ces effets sur les propriétés des couches minces de PZT déposées par pulvérisation cathodique rf magnétron. L étude est basée sur la modélisation de la structure MIM comme des capacités en série : la capacité ferroélectrique et celles des interfaces non ferroélectriques. Les investigations expérimentales ont montré que les effets d épaisseur sont causés par les effets d interface qui sont la manifestation de la capacité d interface chargée par un potentiel interne. La nature [oxyde (LaNiO3) ou métal (Pt)] de l électrode supérieure a une influence significative en termes d effets d épaisseur (sur les grandeurs , Ec, d33) tandis que celle inférieure conditionne principalement la microstructure de la couche de PZT. Le LNO (un oxyde pérovskite) se révèle un matériau prometteur pour limiter les effets d interface. La fatigue ferroélectrique qui s est avérée en corrélation avec les effets d épaisseur est une conséquence de la dégradation de l interface. La structure LNO/PZT/LNO a une bonne endurance à la fatigue et est moins encline aux effets d épaisseur. Une modélisation de la fatigue a été proposée à partir des données expérimentales. L ultime étape de cette thèse a mis en exergue l effet de la nature du substrat sur le mode de croissance et les propriétés électriques des films de PZT.The lead zirconate titanate PbZrTiO3 (PZT) of perovskite structure are widely used in the electronics industry due to their excellent dielectric and electromechanical properties. The current context of technological innovation is the miniaturization and lightening of products while ensuring greater reliability. Today is the era of nanotechnology and at this scale, the effects of interface Electrode/Ferroelectric on the properties of the structures classically called MIM (Metal/Insulator/Metal) become substantial. This thesis aims at studying these effects on the properties of PZT thin films deposited by rf magnetron sputtering. The study is based on modeling of the MIM structure as capacitances in series : the ferroelectric capacitance and those of non-ferroelectric interfaces. Experimental investigations have shown that size effects are caused by the interface effects that are the manifestation of the interface capacitance charged by an internal potential. The nature [oxide (LaNiO3) or metal (Pt)] of the top electrode has a significant influence in terms of size effects (on the parameters , Ec, d33) while the bottom one mainly affects the microstructure of the PZT layer. LNO (a perovskite oxide) is a promising material for limiting the interface effects. The ferroelectric fatigue which is correlated with size effects is a consequence of degradation of the interface. The LNO/PZT/LNO structure has good fatigue endurance and is less prone to size effects. A modeling of fatigue has been proposed from experimental data. The final stage of this thesis has highlighted the effect of the nature of the substrate on the growth mode and the electrical properties of PZT films.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Croissance de couches minces de niobate de lithium par pulvérisation cathodique R. F. magnétron (caractérisations optiques et électriques)

Le développement rapide des télécommunications et des technologies d'enregistrement font que la demande en composants pour l'optique intégrée et à des ondes acoustiques de surface et de volume a subi une forte croissance ces dix dernières années. Actuellement, de nombreux dispositifs sont élaborés sur du LiNbO3 massif. Cependant, les couches minces offrent les avantages d'une miniaturisation plus poussée et d'une augmentation de leurs fréquences d'utilisation. Par ailleurs, dans la mesure où les procédés technologiques sont compatibles, le challenge se situe au niveau de l'intégration monolithique sur Si ou AsGa. Dans ce travail, nous avons determiné les conditions de croissance permettant d'élaborer du niobate de lithium en couches minces par pulvérisation cathodique sur différents types de substrats tels que le Al2O3 (0001), le Si/SiO2/Ti/Pt(111) et le Si/diamant. Sur Al2O3 (0001), l'épitaxie entre la couche et le substrat a été démontrée. Les films présentent une rugosité de l'ordre de 2.5 nm pour une épaisseur de 120 nm. Pour certaines applications, l'épaisseur des films de LiNbO3 doit atteindre le micron sans dégrader la sructure et la morphologie. A ce titre, un procédé de reprise de croissance a été mis au point. La technique du couplage par prisme a permis la caractérisation optique des guides d'ondes planaires ainsi obtenus. Ils ont de faibles pertes optiques de l'ordre de 1dB/cm pour les modes fondamentaux T.E. et T.M. et des indices de réfraction proches de ceux du matériau massif. Elle a aussi permis de qualifier qualitativement la rugosité de surface des films. De plus, la reconstruction du profil d'indice par la méthode i-W.K.B., montre que les guides d'ondes élaborés sont às aut d'indice. Des films minces de niobate de lithium ont ensuite été déposés sur Si/SiO2/Ti/Pt(111). Ils sont orientés préférentiellement dans la direction (0006).../...TOULON-BU Centrale (830622101) / SudocMAUBEUGE-BU (593922101) / SudocVALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Modélisation des propriétés ferroélectriques des films minces

Ce travail expose un modèle permettant de décrire les propriétés ferroélectriques des films minces. Les résultats obtenus sont appliqués à des films de titano-zirconate de plomb (PZT). Le modèle est basé sur la théorie de Landau et utilise la technique de résolution par différences finies. Les différentes hypothèses étudiées sont relatives à l'écriture de l'équation de Poisson. Elles supposent d'une part la prise en compte de charge de polarisation et d'autre part une permittivité diélectrique non uniforme dans le film. Associée à des conditions aux limites judicieuses de la polarisation au niveau des électrodes, cette dernière hypothèse permet alors de simuler l'influence de l'épaisseur des films sur les propriétés ferroélectriques. Une approche bi-dimensionnelle, consistant à prendre en compte une électrode de dimension limitée (c'est-à-dire ne couvrant pas la totalité de la surface du film) a alors été entreprise.This work describes a numerical model that is used to explain ferroelectric thin films properties, and particularly PZT thin films ones. Our model is based on the Landau theory and uses the technique of finite differences. Many options are studied, each one based on the way the Poisson's equation is written. One of them supposed the presence of polarization's charges, and another supposed that the permittivity is not uniform in the film. With this last hypothesis, and if we take good limit's conditions of the polarization on the electrodes interfaces, the model can explain the influence of thickness's films on ferroelectric properties. A two-dimensional approach, which consists in limiting the electrode size by considering that the electrode does not cover the whole film's surface, has been carried out.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Élaboration et caractérisation de films ferroélectriques relaxeurs de PMN-PT (intégration sur silicium et applications MEMS)

LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF