Modelling of topological states in ferroelectric materials

Modélisation des états topologiques dans les matériaux ferroélectriques Dans cette thèse de doctorat, en utilisant la méthode de simulation de champ de phase, nous modélisons les structures de polarisation émergeant dans les ferroélectriques de diverses dimensions et formes. Une attention particulière est accordée à l'identification et à l'analyse des états de polarisation topologiques dans les ferroélectriques confinés et en vrac, compte tenu du rôle pivot des forces électrostatiques et élastiques. Nous établissons la relation entre la topologie du champ de polarisation et les propriétés physiques du ferroélectrique et suggérons des applications pratiques potentielles pour ces matériaux.Le travail introduit les vortex et les Hopfions comme états topologiques fondamentaux qui émergent dans les nanoparticules ferroélectriques confinées. Nous approfondissons les simulations de champ de phase pour analyser ces formations topologiques, en particulier dans les nanoparticules sphériques, révélant la complexité et la stabilité des structures de vortex et de Hopfion au sein des nanomatériaux ferroélectriques. De plus, nous étudions comment ces états topologiques influencent les propriétés électromagnétiques des nanoparticules individuelles et des nanocomposites hébergeant ces nanoparticules.En outre, nous dévoilons l''émergence de la chiralité commutable dans les nanomatériaux ferroélectriques, spécifiquement dans les nanodots et nanoparticules, soulignant le rôle des textures ferroélectriques topologiques chirales dans le développement de nouveaux matériaux chiraux. Nous démontrons que la chiralité dans les ferroélectriques nanostructurés résulte de la rupture spontanée de symétrie, conduisant à un enroulement chiral de la polarisation dans les structures de Hopfion, également connues sous le nom de skyrmions 3D. Ce phénomène est facilité par l'interaction entre le confinement et les effets de dépolatisation. La capacité à contrôler la chiralité dans les ferroélectriques par un champ électrique appliqué ouvre des voies pour des dispositifs ferroélectriques avancés, y compris des sources de chiralité biomédicales et des dispositifs opto-plasmoniques.Enfin, sur la base de l'analyse des résultats de modélisation et des données expérimentales, nous examinons les structures de polarisation dans les ferroélectriques uniaxiaux et multiaxiaux, en reliant leurs états de polarisation topologiques à leurs propriétés, notamment la conductivité électrique et l'anisotropie. Cette approche révèle des structures complexes dans la ferroélectricité, encourageant des méthodes théoriques et expérimentales avancées pour étudier les phénomènes topologiques dans ces matériaux. Notre recherche approfondit le réseau des parois de domaine dans le ferroélectrique uniaxial faiblement conducteur, pour étudier comment une structure de domaine complexe forme une surface de paroi de domaine avec des morphologies de points de selle uniques, permettant des topologies dipolaires nouvelles qui évitent l'apparition de charges liées énergétiquement défavorables en l''absence de charges libres qui pourraient écranter ces charges liées. Complémentairement, nous étudions le réseau des parois de domaine dans les films contraints du ferroélectrique multiaxial, où la concentration de porteurs libres est suffisamment élevée pour écranter efficacement les charges liées formées au niveau des parois de domaine. Nous avons trouvé que le réseau 3D reconstruit de parois de domaine améliore les propriétés de transport et suggère de nouvelles possibilités pour la conception de dispositifs nanoelectroniques à travers la reconfiguration des domaines.En associant la connaissance traditionnelle des ferroélectriques à leur compréhension topologique approfondie, notre recherche repose sur la synergie des méthodes analytiques, de simulation et expérimentales. Cette approche souligne l'impact transformateur des ferroélectriques topologiques dans l'avancement de la science et de la technologie des matériaux