Etude par holographie électronique operando d’un composant ferroélectrique

6 janvier 2026

Dans ce travail, nous montrons comment l’holographie électronique operando permet de cartographier les champs électriques internes et de mesurer quantitativement les charges d’interface dans une jonction tunnel à base de Hf0.5Z0.5O2. Nous avons également mis en évidence le retournement de la polarisation par nucléation de domaines suivie de leur croissance latérale sur de larges zones.

La compréhension des mécanismes de retournement de la polarisation et du rôle des charges interfaciales est essentielle pour l’optimisation des dispositifs ferroélectriques, notamment ceux à base d’oxyde d’hafnium. Cependant, il est très difficile d’accéder aux champs électriques internes et aux charges piégées. Nous démontrons ici que l’holographie électronique operando permet une cartographie quantitative des champs électriques et des densités de charge au sein d’une jonction tunnel W/ Hf_0.5Z_0.5O₂ / Al₂O₃ / W.

En polarisant électriquement le dispositif directement dans le microscope électronique en transmission, nous avons mesuré les déphasages électrostatiques associés aux différents états de polarisation. Cette approche originale nous a permis de cartographier la polarisation ferroélectrique sur un champ de vue d’environ 300 nm, et d’observer que son retournement s’effectue à la fois par nucléation de domaines et par leur extension latérale lorsque la tension appliquée approche le champ coercitif.

L’analyse quantitative des profils de phase révèle que les charges d’écrantage sont majoritairement localisées aux interfaces ferroélectrique/diélectrique et que des couches interfaciales non intentionnelles modifient de manière significative le profil du champ électrique interne. Nous avons mesuré le champ électrique moyen dans la couche ferroélectrique avec une précision de 0,02 MV·cm⁻¹, et déterminé les densités de charges interfaciales avec une résolution spatiale sub-nanométrique.

Ce travail démontre que l’holographie électronique operando est un outil très performant permettant de relier les mesures électriques macroscopiques à l’analyse structurale à l’échelle atomique. En donnant un accès direct aux champs électriques internes et aux mécanismes de piégeage de charge, cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour l’ingénierie des interfaces et l’optimisation des performances des dispositifs ferroélectriques nanométriques.

Contacts :
Christophe Gatel | christophe.gatel[chez]cemes.fr
Martin Hÿtch | martin.hytch[chez]cemes.fr

Publication :
Mapping electric fields and observation of ferroelectric domain switching in hafnia-zirconia devices by electron holography
L. Zhang, C. Gatel, M.H. Raza, K. Gruel, C. Dubourdieu, and M.J. Hÿtch
Nature Communications 16, 11233 (2025)
DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-025-66807-4