| Fecha: |
2025 |
| Resumen: |
El creixement epitaxial i la tecnologia de capes primes han permès estudiar i controlar les propietats dels materials mitjançant la fabricació de capes cristal·lines i altament orientades. Tanmateix, això comporta l'inconvenient de l'acoblament mecànic al substrat de creixement, el qual pot influir en les propietats de les capes primes. Per tant, és important estudiar les propietats de les capes primes en absència d'aquestes restriccions mecàniques. La possibilitat de desacoblar les capes primes dels seus substrats de creixement presenta una oportunitat molt interessant per estudiar no només les propietats intrínseques dels materials en el règim de baixa dimensionalitat -lliures de la tensió epitaxial-, sinó també per sotmetre aquestes capes a estímuls externs i modular-ne les funcionalitats. Entre les diverses estratègies desenvolupades per aconseguir el desacoblament de les capes primes del substrat, la més destacada és el mètode de la capa sacrificable. En aquest mètode, es diposita una capa intermèdia sobre un substrat, seguida per la capa funcional. Posteriorment, la capa sacrificable es dissol fent servir un reactiu d'atac adequat (aigua, en el cas de l'aluminat d'estronci utilitzat al llarg d'aquesta tesi), i la capa funcional es retira i es transfereix a un substrat secundari, formant el que habitualment s'anomena membranes autoportants. Aquestes penalitzacions per acoblament són crucials per comprendre els sistemes en què les propietats de les capes primes poden veure's afectades per les condicions de contorn mecàniques. En aquest context, un dels materials més interessants per estudiar com a membranes autoportants són els antiferroelèctrics, a causa del seu potencial en aplicacions com ara dispositius d'emmagatzematge d'alta densitat energètica, electrocalòrics, actuadors, capacitança negativa i dispositius neuromòrfics. Aquestes aplicacions es basen en l'alineació de dípols antiparal·lels mitjançant un camp elèctric cap a una configuració paral·lela, donant lloc a una transició de fase reversible d'un estat antiferroelèctric a un de ferroelèctric. Tot i que hi ha nombrosos treballs sobre membranes autoportants d'altres materials, com els ferroelèctrics, les investigacions sobre materials antiferroelèctrics continuen essent limitades. L'objectiu d'aquesta tesi és abordar aquesta mancança investigant membranes autoportants de materials antiferroelèctrics sota diferents condicions extrínseques. Per a aquest propòsit, el zirconat de plom constitueix un cas d'estudi ideal, ja que és considerat un arquetip amb excel·lents propietats per a diverses aplicacions. Malgrat l'àmplia recerca sobre el zirconat de plom, la seva naturalesa antiferroelèctrica no s'ha entès completament. Això es deu principalment a la complexa coexistència i transició de fases que presenta. A més, la sensibilitat del sistema a les pertorbacions de tensió i de mida dificulta ajustar-ne les propietats a demanda, ja que l'acoblament mecànic del substrat afecta el comportament de commutació mitjançant les condicions de contorn mecàniques, així com la transició de fase a través de dislocacions i camps de deformació. En aquest treball, investigarem els efectes del desacoblament de les capes de zirconat de plom en termes de la seva dinàmica de commutació, la coexistència i les transicions de fase induïdes per la dimensionalitat, i la influència de diferents condicions de tensió sobre el comportament intrínsec i funcional de les membranes. Finalment, explorarem conceptes de dispositius funcionals i com les característiques distintives del zirconat de plom poden integrar-s'hi. |
| Resumen: |
El crecimiento epitaxial y la tecnología de películas delgadas han permitido estudiar y controlar las propiedades de los materiales mediante la fabricación de películas cristalinas y altamente orientadas. Sin embargo, esto conlleva el inconveniente del acoplamiento mecánico al sustrato de crecimiento, lo cual puede influir en las propiedades de las películas delgadas. Por tanto, es importante estudiar las propiedades de las películas delgadas en ausencia de tales restricciones mecánicas. La posibilidad de desacoplar las películas delgadas de sus sustratos de crecimiento presenta una oportunidad emocionante para estudiar no solo las propiedades intrínsecas de los materiales en el régimen de baja dimensionalidad -libres de la tensión epitaxial-, sino también para someter estas capas a estímulos externos y modular sus funcionalidades. Entre las diversas estrategias desarrolladas para lograr el desacoplamiento de las películas delgadas del sustrato, la más destacada es el método de la capa sacrificable. En este método, se deposita una capa intermedia sobre un sustrato, seguida por la película funcional. Posteriormente, la capa sacrificable se disuelve utilizando un agente de grabado adecuado (agua, en el caso del aluminato de estroncio utilizado a lo largo de esta tesis), y la película funcional se retira y transfiere a un sustrato secundario, formando lo que comúnmente se denomina membranas autoportantes. Estas penalizaciones por acoplamiento son cruciales de comprender en sistemas donde las propiedades de las películas delgadas pueden verse afectadas por las condiciones de contorno mecánicas. En este contexto, uno de los materiales más interesantes para ser estudiados como membranas autoportantes son los antiferroeléctricos, debido a su potencial en aplicaciones como dispositivos de almacenamiento de alta densidad energética, electrocalóricos, actuadores, capacitancia negativa y dispositivos neuromórficos. Estas aplicaciones se basan en la alineación de dipolos antiparalelos mediante un campo eléctrico hacia una configuración paralela, dando lugar a una transición de fase reversible de un estado antiferroeléctrico a uno ferroeléctrico. Aunque existen numerosos trabajos sobre membranas autoportantes de otros materiales, como los ferroeléctricos, las investigaciones sobre materiales antiferroeléctricos siguen siendo limitadas. El objetivo de esta tesis es abordar esta carencia investigando membranas autoportantes de materiales antiferroeléctricos bajo diferentes condiciones extrínsecas. Para este propósito, el zirconato de plomo constituye un caso de estudio ideal, ya que se considera un arquetipo con excelentes propiedades para diversas aplicaciones. A pesar de la extensa investigación sobre el zirconato de plomo, su naturaleza antiferroeléctrica no se ha comprendido completamente. Esto se debe principalmente a la compleja coexistencia y transición de fases que presenta. Además, la sensibilidad del sistema a perturbaciones de tensión y tamaño dificulta ajustar sus propiedades a demanda, dado que el acoplamiento mecánico del sustrato afecta el comportamiento de conmutación mediante las condiciones de contorno mecánicas, así como la transición de fase a través de dislocaciones y campos de deformación. En este trabajo, investigaremos los efectos del desacoplamiento de las películas de zirconato de plomo en términos de su dinámica de conmutación, la coexistencia y transiciones de fases inducidas por la dimensionalidad, y la influencia de diferentes condiciones de tensión sobre el comportamiento intrínseco y funcional de las membranas. Finalmente, exploraremos conceptos de dispositivos funcionales y cómo las características distintivas del zirconato de plomo pueden integrarse en ellos. |
| Resumen: |
Epitaxial growth and thin film technology has allowed us to study and control the properties of materials through fabrication of crystalline and highly oriented films. However, this comes with the baggage of mechanical clamping to the growth substrate that can influence the properties of thin films. Therefore, it is important to study the properties of thin films in the absence of such mechanical constraints. The possibility of declamping thin films from their growth substrates presents an exciting opportunity to study not only the intrinsic properties of materials in the low-dimensional regime, free from epitaxial strain, but also to subject these layers to extrinsic stimuli and modulate their functionalities. Among several strategies developed to achieve the declamping of thin films from the substrate, the most notable is the sacrificial layer method, wherein, a buffer layer is grown on a substrate followed by the functional film. The sacrificial layer is then dissolved using a suitable etchant (water in the case of strontium aluminate used throughout this thesis), and the functional film is removed and transferred to a secondary substrate, commonly referred to as free standing membranes. These clamping penalties are crucial to understand in systems where the properties of thin films can be affected by the mechanical boundary conditions. In this context, one of the most interesting materials to be studied as free standing membranes are antiferroelectrics, due to their potential in applications such as high energy density storage devices, electrocalorics, actuators, negative capacitance and neuromorphic devices. These applications are based on the alignment of antiparallel dipoles by an electric field to a parallel configuration, resulting in a reversible phase transition from an antiferroelectric to a ferroelectric state. While there are many works on free-standing membranes of other materials such as ferroelectrics, the investigations of antiferroelectric materials remain limited. The goal of this thesis is to address this gap by investigating free standing membranes of antiferroelectrics under different extrinsic conditions. For this purpose, lead zirconate is an ideal case study since it is considered to be an archetype that possesses excellent properties for many applications. Despite the extensive research on lead zirconate, its antiferroelectric nature has not been completely understood. This is mainly due to the complex phase coexistence and phase transition properties that it possesses. Moreover, the sensitivity of the system to strain and size perturbations also makes it difficult to tune its properties on demand, such as the clamping penalty from the substrate affects the switching behaviour via mechanical boundary conditions, and the phase transition via dislocations and strain fields. Here, we will investigate the effects of declamping of lead zirconate films in terms of their switching dynamics, the dimensionality induced phase coexistence and transitions, and the influence of different strain conditions on the intrinsic and functional behaviour of the membranes. Finally, we will explore functional device concepts and how the distinct functional features of lead zirconate can be integrated into them. |
| Resumen: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials. |
| Derechos: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Lengua: |
Anglès |
| Documento: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Materia: |
Antiferroelèctrics ;
Antiferroelectrics ;
Antiferroeléctricos ;
Membranes autoportants ;
Free-standing membranes ;
Membranas autoportantes ;
Ciències Experimentals ;
538.9 |
visitante ::
identificación
