Projet ANR-12-JS04-0008 – LiLa : Stœchiométrie, Structure et Ingénierie des Contraintes dans les Couches Minces de LiNbO3 and LiTaO3 déposées par PI MOCVD
Programme : JCJC - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (JCJC SIMI 4)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame Ausrine Bartasyte (Institut Jean Lamour/Université de Lorraine-CNRS)
Partenaires : Institut Jean Lamour
Montant : 110100.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Stœchiométrie, Structure et Ingénierie des Contraintes dans les Couches Minces de LiNbO3 et LiTaO3 déposées par PI MOCVDLiNbO3 (LN) et LiTaO3 (LT) sont parmi les matériaux les plus importants, équivalent dans les domaines de l’optique, l’optique non-linéaire et l’optoélectronique au silicium en électronique. Ainsi, les études à propos de l’étude de l’épitaxie de films minces ferroélectriques de LN et LT est de grande importance pour leurs applications en tant que SRAM, diélectriques à haute permittivité, dispositifs à ondes élastiques, dispositifs accordables dans le domaine micro-onde et guides d’onde optique.
Films épitaxiaux de haute qualité, monodomains (sans macles) et stoechiométriques de LiNbO3 et LiTaO3Bien que les films de LiNbO3 et LiTaO3 puissent être fabriqués par différentes techniques, leurs caractéristiques électriques et électro-optiques ne sont pas comparables à celles de cristaux massifs. La dégradation des propriétés des films minces peut en particulier être expliquée par la difficulté de l’incorporation et la mesure du lithium. De plus, les joints de grains dans les films polycristallins et la présence de macles dans les films épitaxiaux donnent lieu à une diffusion de la lumière et de fortes pertes optiques dans les guides d’onde fabriqués à partir de ces films. Ainsi, des films épitaxiaux de haute qualité, monodomains (sans macles) et stœchiométriques de LiNbO3 et LiTaO3 sont nécessaires. Les objectifs de ce projet sont : 1- le dépôt de films minces de LiNbO3 et LiTaO3 stœchiométriques (50.0% de Li2O),2- l’élimination des macles et des domaines ferroélectriques pour des films d’épaisseur de 1 µm, 3- l'ajustement de l’expansion thermique des films pour réduire le coefficient thermique de dérive en fréquence (TCF) pour les dispositifs à ondes élastiques de surface (OES).
Dépôt des couches minces par MOCVD à injection pulsée et caractérisation par spectroscopie Raman et DRXL’une des méthodes de dépôt les plus prometteuses pour des films à plusieurs éléments est la MOCVD à injection pulsée, permettant de contrôler finement la composition et l’épaisseur de la couche.Approche L’optimisation de la concentration en lithium dans le film nécessite un contrôle à une précision de 01-0.2 %. Les méthodes indirectes utilisées pour les monocristaux ne peuvent pas être directement utilisées à cause de la présence de contraintes, d’effets de taille et d’autres paramètres qui influencent les propriétés structurales, optiques,... Par conséquent, dans ce projet des méthodes indirectes basées sur la mesure du point de Curie, des modes Raman et de leur largeur seront mis en oeuvre.La concentration en lithium sera alors optimisée en variant les paramètres de dépôt et des traitements thermiques d’équilibre en phase gazeuse. Les macles et les domaines seront éliminés par l’étude de leur formation, en optimisant les conditions d’élaboration et par l’application d’un champ électrique statique. Les propriétés électrique et électro-optiques des films stœchiométriques et sans macles seront étudiées. L’expansion thermique sera ajustée par une étude poussée des contraintes et pour la mesure de la TCF.
Résumé de la soumission : LiNbO3 (LN) et LiTaO3 (LT) sont parmi les matériaux les plus importants, équivalent dans les domaines de l’optique, l’optique non-linéare et l’optoélectronique au silicium en électronique. Ainsi, les études à propos de l’étude de l’épitaxie de films minces ferroelectriques de LN et LT est de grande importance pour leurs applications en tant que SRAM (static random access memories), diélectriques à haute permitivité, dispositifs à ondes acoutiques, dispositifs accordables dans le domain micro-onde et guides d’onde optique. Bien que les films de LN et LT peuvent être fabriqués par différentes techniques, leur caractéristiques électriques et électro-optiques ne sont pas comparables à celles de cristaux massifs. La dégradation des propriétés des films minces peut en particulier être expliquée par la difficulté de l’incorporation et la mesure du lithium. De plus, les joints de grains dans les films polycristallins et la présence de mâcles dans les films épitaxiaux donnent lieu à une diffusion de la lumière et de fortes pertes optiques dans les guides d’onde fabriqués à partir de ces films. Ainsi, des films épitaxiaux de haute qualité, monodomains (sans macles) et stoechiométriques de LN et LT sont nécessaires. Les objectifs de ce projet sont : 1- le dépôt de films minces de LN et LT stoechiométriques (50.0% de lithium) 2- l’élimination des mâcles et des domaines férroélectriques pour des films d’épaisseur de 1 µm, 3- l'ajustement de l’expansion thermique des films pour réduire le coefficient thermique de dérive en fréquence (TCF) pour les dispositifs à onde élastique de surface (SAW). L’une des méthodes de dépôt les plus prometteuses pour des films à plusieurs éléments est la MOCVD à injection pulsée. Nos résulats préliminaires obtenus sur LN et LT sont très encourageants. Les films sont de haute qualité épitaxial, présentant des phases pures de LN et LT.  Cependant les films sont maclés. Les premières mesures de leur expansion thermique montrent des changements de conséquent, ouvrant la possibilité d’ajuster les propriétés TCF des films.ApprocheL’optimisation de la concentration en lithium dans le film nécessite un contrôle à une précision de 01-0.2 %. Les méthodes indirectes utilisées pour les monocristaux ne peuvent pas être directement utlisées à cause de la présence de contraintes, d’effets de taille et d’autres paramètres qui influencent les propriétés structurales, optiques,... Par conséquent, dans ce projet des méthodes indirectes basées sur la mesure du point de curie, des modes Raman et de leur largeur seront mis en oeuvre.La concentration en lithium sera alors optimisée en variant les paramètres de dépôt et des traitements thermiques d’équilibre en phase gazeuse. Les mâcles et les domaines seront éliminés par l’étude de leur formation, en optimisant les conditions d’élaboration et par l’application d’un champ électrique statique. Les propriétés électrique et électro-optiques des films stoechiométriques et sans mâcles seront étudiées. L’expansion thermique sera ajustée par une étude poussée des contraintes et pour la mesure de la TCF.
Résultats : Nos résultats préliminaires obtenus sur LN et LT sont très encourageants. Les films sont de haute qualité épitaxiale, présentant des phases pures de LN et LT. Cependant les films sont maclés. Les premières mesures de leur expansion thermique montrent des changements de conséquent, ouvrant la possibilité d’ajuster les propriétés TCF des films. 
La spectroscopie Raman, étant très sensible à la symétrie des matériaux, elle a été utilisée pour l’analyse de la composition des phases et pour la cartographie de la répartition des phases Dans le cas des films de LN et LT, il a été constaté que l’analyse standard  par DRX des phases  dans les films de LN/LT texturés n’est pas simple et peut donner des confusions dues aux angles proches des réflexions des phases LiNb(Ta)O3 et LiNb(Ta)3O8  et de différentes origines possibles des profils asymétriques des réflexions de diffraction de rayons X. La spectroscopie Raman a été appliquée pour l’analyse et la cartographie de composition des phases dans les films de LN & LT. Les nombres d'ondes des modes Raman des phases parasites ont été identifiés à partir des spectres Raman de poudres de LiNb(Ta)3O8 et Li3Nb(Ta)O4.
Il a été constaté que la concentration en Li dans les films de LN peut être variée en modifiant le rapport  des précurseurs Li/Nb dans la solution, ou en changeant la pression de dépôts. La formation de macles dans le plan et hors du plan ont été réduits en augmentant la pression de dépôts.
Perspectives : Les monocristaux de LiNbO3 et LiTaO3 sont employés dans une grande variété  des applications d’électrooptique, pyroélectrique, optique, acousto-optique et optique non linéaire et même, plus récemment, en tant que sources de neutrons. Les films de LN et LT promet d'être tout aussi intéressant, notamment en raison des applications possibles dans les dispositifs électroniques, opto-électroniques et acoustiques et pour leur miniaturisation et l'intégration. Du point de vue technologique, la méthode, qui permet de produire des couches minces de LN et LT stœchiométriques, sans macles et domaines attirera l'attention des scientifiques et industrielles.
Bien que ce projet soit essentiellement une recherche scientifique fondamentale, l'importance de LN et LT dans l'industrie est telle que nous aurons besoin de penser sur les applications possibles. Nous allons étudier notamment la possibilité d'appliquer des films LN et LT dans les dispositifs BAW/SAW et électro-optiques et de réduire le TCF dans films LN et LT par ingénierie des contraintes.
Publications et brevets : Publication:
A. Bartasyte, V. Plausinaitiene, A. Abrutis, S. Stanionyte, S. H. Margueron, P. Boulet, T. Kobata, Y. Uesu, and J. Gleize “Identification of LiNbO3, LiNb3O8 and Li3NbO4 phases in thin films synthesized with different deposition techniques by means of XRD and Raman spectroscopy” J. Phys D : Cond. Matter 25, 205901 (2013).
Acte de conférence:
S. Margueron, A. Bartasyte, V. Plausinaitiene, A. Abrutis, P. Boulet, V. Kubilius, Z. Saltyte, « Effect of deposition conditions on the stoichiometry and structural properties of LiNbO3 thin films deposited by MOCVD” SPIE Proceedings, Vol.  8626: Oxide-based Materials and Devices IV, March 2013
Présentation invitée:
SPIE Photonic West 2013, Oxide-based Materials and Devices IV, San Francisco, USA, «Residual stresses, stoichiometry and clamped thermal expansion in LiNbO3 and LiTaO3 thin films« S. Margueron, A. Bartasyte, V. Plausinaitiene, A. Abrutis, T. Murauskas, P. Boulet, S. Robert, J. Gleize, V. Kubilius, Z. Saltyte.
Présenations orales:
-ISAF-IUS-PFM-IFCS-EFTF, Prague July 2013, “Strain and chemical engineering in LiNbO3 and LiTaO3 thin films” A. Bartasyte, V. Plausinaitiene, A. Abrutis, S. Margueron, T. Murauskas, P. Boulet, Z. Saltyte. 
-EMRS spring meeting, Strabourg May 2013, “Strain and chemical engineering in LiNbO3 and LiTaO3 thin films” A. Bartasyte, V. Plausinaitiene, A. Abrutis, P. Boulet, Z. Saltyte and S. Margueron. 
-International School of Atomic and Molecular spectroscopy, 
 a NATO Advanced Study Intitute –Erice,  Italy, July 2013 “Chemical and strain engineering of functional oxides” A. Bartasyte, V. Plausinaitiene, A. Abrutis and S. Margueron
Présentation par affiche:
ISAF-IUS-PFM-IFCS-EFTF, Prague July 2013, “Identification of LiNb(Ta)O3, LiNb(Ta)3O8 and Li3Nb(Ta)O4 phases in thin films synthesized with different deposition techniques by means of XRD and Raman spectroscopy” A. Bartasyte, V. Plausinaitiene, A. Abrutis, S. Stanionyte, S. Margueron, P. Boulet, T. Kobata, Y. Uesu, and J. Gleize.