Modifications de la structure chimique et électronique de surfaces ferroélectriques sous adsorption de H2O – Surf-FER

Les matériaux ferroélectriques (FE) revêtent une grande importance pour des applications telles que les mémoires ou les commutateurs à l’échelle nanométrique. La possibilité de commuter par un simple champ électrique devrait en faire des composants d’avenir à basse consommation électrique. Néanmoins, l’état de charge de la surface est un facteur prédominant pour appréhender l’interaction des FE avec leur environnement. Ce dernier étant souvent proche des conditions ambiantes, les phénomènes de relaxation et d’adsorption doivent être pris en compte.
Un domaine majeur d’application potentiel est la photocatalyse assistée par FE. Les états de surface peuvent être une source de paires électron-trou, renouvelables sous irradiation UV et susceptibles d’exalter des réactions photochimiques telles que la dissociation de l’eau, voie prometteuse pour la production propre de H2.
La charge de surface des FE crée un champ électrique dépolarisant s’opposant à celui responsable de la polarisation. La charge de surface peut être écrantée par des porteurs libres ou des défauts dans le volume ou des espèces adsorbées chargées. Le FE est donc un exemple d’un système où les propriétés de volume peuvent être dictées par la physique de surface, qui devient un paramètre prédominant dans le cas de films nanométriques.
La stabilité des phases et des états dans les FE découle d’un équilibre entre la thermodynamique de volume et les phénomènes d’écrantage. Ces derniers peuvent inclure la formation de domaines à 180°, de domaines dans le plan de la surface, la compensation de charge de surface grâce à la courbure de bande, la formation des lacunes d’oxygène ou la chimisorption d’espèces chargés. L’interaction de l’eau ou des OH de surface avec la polarisation des FE peut créer des conditions électriques locales particulières.
Les données expérimentales concernant les FE sont dominées par la diffraction (approche non-destructive mais moyennée à l’échelle macroscopique) ou la microscopie à champ proche (approche locale mais la pointe peut perturber la surface). Aucune ne fournit une information spectroscopique directe et complète sur la structure électronique. Des techniques non destructives de la science des surfaces doivent donc être mises en œuvre pour étudier les FE d’un point de vue atomique, chimique et électronique.
Surf-FER étudiera comment la polarisation affecte les phénomènes d’adsorption sur les FE et, en retour, comment l’adsorption influence l’état de polarisation. Il cherchera à comprendre comment les molécules adsorbées peuvent être dissociées sous irradiation UV, en ayant pour perspective la promotion de la photolyse de l’eau, en favorisant la création de paires électron-trou et donc la réactivité de surface.
Les partenaires rassemblent une expertise expérimentale et théorique unique, qui rend ce consortium scientifiquement fort et très concurrentiel au niveau international.
L’utilisation de films nanométriques élaborés en épitaxie avec un état de contrainte donné rendra les résultats cohérents avec les application futures dans la nanoélectronique et la production propre d’hydrogène. Pour la première fois, l’utilisation conjointe de techniques à champ proche et de la spectromicroscopie à plein champ permettra d’obtenir une information complète sur la structure électronique des domaines FE sub-microniques.
Les phénomènes d’adsorption/dissociation seront corrélés avec les modifications structurales au niveau atomique et avec les modifications de structure électronique induites par la charge ou la polarisation de surface. Des calculs de DFT utilisant des méthodes performantes seront utilisés pour décrire les surfaces non écrantées telles que celles produites après élaboration sous UHV.
Les résultats obtenus lors de cette étude devraient déborder largement du domaine de l’application photocatalytique et apporter une philosophie générale sur le comportement des FE et des surfaces chargées.