Measuring photo-induced effects in ferroics

Mesure d'effets photo-induits dans les ferroïques La photostriction est un phénomène physique connu depuis les années 60 qui convertit la lumière en déformation mécanique. Ce processus sans contact est prometteur pour des applications technologiques comme les micro-actuateurs ou la photonique, qui constituent des domaines d'innovation intenses. Bien qu'identifiée dans des catégories de matériaux aussi différentes que les métaux, les semiconducteurs, les cristaux, les milieux amorphes, les polymères ou encore les cristaux liquides, la photostriction a des origines physiques qui ne font pas encore consensus. Par ailleurs, les mesures de photostriction réalisées jusqu'ici sont souvent très circonstancielles et les méthodes ainsi que les conditions utilisées diffèrent d'un laboratoire à l'autre. En conséquence, la comparaison des données publiées est compliquée. S'ajoute à cela que les dynamiques considérées couvrent seulement les réponses statiques ou ultra-rapides de la photostriction. Afin de pallier ces deux problèmes, i.e. l'étude de l'origine physique mais aussi la méthode de mesure employée, une plateforme de mesure inédite, dédiée à la photostriction, a été mise en place pendant la thèse. Ce banc de mesure permet une étude complète, dynamique et quasi-universelle de la photostriction, sa description complète est donnée dans le chapitre 2. Parmi les matériaux photostrictifs les plus connus, les ferroélectriques semblent particulièrement prometteurs en termes de performances et d'intégration technologique. Ces derniers sont des semiconducteurs qui possèdent une polarisation intrinsèque qu'il est possible de contrôler en appliquant un champ électrique. La nature même des matériaux ferroélectriques les rend hautement multiphysiques et la polarisation qui les caractérise induit une direction privilégiée pour les phénomènes électriques dans ces matériaux. Cette caractéristique permet l'émergence de phénomènes nouveaux, notamment en interaction avec la lumière : c'est le cas de l'effet photovoltaïque anormal, un effet photovoltaïque dont l'efficacité peut dépasser la limite de Shockley-Queisser. La thèse se concentre donc sur l'étude de la photostriction dans des matériaux ferroélectriques, avant d'ouvrir la discussion sur des matériaux tels que les métaux dans le dernier chapitre.L'une des hypothèses les plus communes concernant l'origine de la photostriction dans les ferroélectriques est un couplage entre l'effet photovoltaïque et la piézoélectricité inverse. Malheureusement, cette hypothèse est contredite dans certains cas importants, comme la présence de photostriction dans des échantillons non polarisés. La méthode de mesure développée pendant le doctorat est utilisée pour étudier la photostriction de couches minces de titanate de baryum (BaTiO₃). Ce ferroélectrique classique présente une polarisation à température ambiante et a notamment été étudié pour son effet photovoltaïque anormal, mais pas encore pour sa photostriction. Malheureusement, l'absorption de la lumière visible par les ferroélectriques est assez mauvaise. C'est pourquoi les échantillons de BaTiO₃ ont été co-dopés : les éléments dopants sont choisis de sorte à améliorer les propriétés optiques sans dégrader la ferroélectricité. Un co-dopage sur le site du titane par des ions cobalt (Co) et niobium (Nb) est utilisé et, après une étude complète des deux jeux de matériaux dans le chapitre 3, la réponse photostrictive est comparée entre les échantillons co-dopés et purs. La photostriction des couches minces de BaTiO₃ étudiée dans le chapitre 4 démontre une déformation dépassant 1% dans le cas co-dopé. Une étude combinant les propriétés structurales, optiques et électroniques des couches minces de (Co,Nb)-BaTiO₃ est ensuite menée afin de déterminer les causes de cette photostriction géante, encore jamais observée dans un ferroélectrique.