Polarisation 2D issue d’images HRSTEM traitées par AbStrain/Relative Displacement

10 décembre 2024

Deux chercheurs du groupe MEM ont mis en évidence la formation de nano-îlots en forme d’entonnoir trapézoïdal dans des films minces de l’oxyde ferroélectrique BaTiO₃ épitaxié sur Silicium. Ils ont révélé leur état polaire singulier, convergent vers le bas, qui a pu être assimilé à un tourbillon de flux de polarisation et qui peut être commuté électriquement de manière réversible, résultat prometteur pour les applications de la future nanoélectronique topologique.

Un aspect fascinant des matériaux ferroélectriques à l’échelle nanométrique est l’émergence de textures polaires topologiques, qui comprennent diverses configurations de polarisation complexes et stables. La manipulation de ces textures topologiques par des stimuli externes tels que des champs électriques est prometteuse pour des applications en nanoélectronique avancée, mais l’intégration de textures polaires sur le silicium reste un défi.

Dans le cadre du projet ANR FEAT, nos collègues du groupe Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie à Berlin ont réussi à faire croître des films épitaxiés de BaTiO3 sur Si passivé par SrTiO3 en modifiant l’étape classique de passivation de la surface de Si par introduction d’un excès de Sr afin d’induire des agrégats de Sr.

Les images STEM haute résolution (HAADF) de ces films ont révélé la présence de nano-îlots de forme trapézoïdale à la place de ces zones enrichies en Sr. En corrigeant ces images des distorsions à l’aide de la méthode «AbStrain », la rotation des cellules unitaires à l’intérieur des nano-îlots a été mise en évidence (cartographie colorée). Parallèlement, la direction du déplacement des atomes de Ti par rapport à la position du barycentre des cellules de Ba(Sr) reliée à la polarisation a été obtenue après avoir isolé les atomes de Sr/Ba et de Ti par l’approche « Relative displacement » (flèches superposées à la cartographie colorée). La configuration particulière «down-convergent» de la polarisation a ainsi été identifiée.

Des études complémentaires par microscopie à force de piézoélectrique ont démontré que de tels domaines de polarisation convergent vers le bas peuvent être réversiblement commutés par un champ électrique en domaines divergent vers le haut. La modélisation de champ de phase a également donné un aperçu de la configuration 3D de la polarisation, confirmant la présence d’une composante tourbillonnante autour de l’axe du nano-îlot, lui conférant un charactère chiral.

La capacité de créer et de manipuler électriquement des textures polaires tourbillonnantes chirales dans des nanostructures de BaTiO3 épitaxiées sur silicium est prometteuse pour des applications en nanoélectronique topologique.

Image STEM en coupe (110)^Si de deux nano-îlots dans un film BaTiO₃ et carte colorée de la rotation des cellules unitaires où les flèches superposées indiquent la direction/intensité de la polarisation.

Contacts :
Sylvie Schamm-Chardon | sylvie.schammchardon[chez]cemes.fr
Nikolay Cherkashin | nikolay.cherkashin[chez]cemes.fr

Publications :
Switchable topological polar states in epitaxial BaTiO3 nanoislands on silicon
I. Olaniyan, I. Tikhonov, V. Hevelke, S. Wiesner, L. Zhang, A. Razumnaya, N. Cherkashin, S. Schamm-Chardon, I. Lukyanchuk, D.-J. Kim, and C. Dubourdieu
Nature Communications 15 (2024) 10047
DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-024-54285-z

Quantitative mapping of strain and displacement fields over HR-TEM and HR-STEM images of crystals with reference to a virtual lattice
N. Cherkashin, A. Louiset, A. Chmielewski, D.J. Kim, C. Dubourdieu, and S. Schamm-Chardon
Ultramicroscopy 253 (2023) 113778
DOI : https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2023.113778