Étude des propriétés physiques d'alliages de nitrure d'aluminium et de nitrures de terres rares

Le développement de nouveaux matériaux piézoélectriques (PÉ) pour les applications de microsystèmes électromécaniques (MSEM) a mené à la découverte des alliages substitutifs en phase wurtzite de nitrure d'aluminium et de nitrure de scandium (w-ScxAl1−xN) de forte activité PÉ. Les alliages w-ScxAl1−xN sont des exemples d'alliage en phase wurtzite de nitrure d'aluminium et de nitrure de terre rare (w-TRxAl1−xN). La recherche scientifique sur les matériaux hautement PÉ compatibles avec les procédés MSEM est encore d'actualité. Dans une perspective d'ingénierie des matériaux, cette thèse établie l'impact de la configuration du sous-réseau métallique et d'une contrainte résiduelle biaxiale sur les propriétés PÉ, élastiques et diélectriques d'alliages w-ScxAl1−xN. De plus, ces mêmes propriétés sont rapportées pour d'autres alliages w-TRxAl1−xN où TR sont l'yttrium et sept lanthanides. La modélisation numérique basée sur la théorie de la fonctionnelle de densité et son extension en perturbation est privilégiée dans les travaux. Les alliages sont représentés avec des supermailles de structures quasi aléatoires spéciales. De plus, les éléments de lantha-nides sont représentés en incluant la couche électronique 4f de leur ion +3 dans le cœur des pseudopotentiels. Les calculs sont effectués avec le logiciel ABINIT. Une dépendance significative des coefficients de rigidité cE33 et PÉ e33 sur la configuration du sous-réseau métallique du w-Sc0.5Al0.5N est retrouvée et le coefficient PÉ d33,f est estimé varier entre 9.3 et 41.4 pm V−1 pour les alliages modélisés. L'analyse des résultats démontre que ceci est consistant avec le modèle établi du comportement PÉ des alliages w-ScxAl1−xN. Il est démontré qu'une contrainte biaxiale en tension améliore les facteurs de mérite e31,f d33,f et k233,f d'alliages w-ScxAl1−xN d'une façon analogue à l'augmentation de la fraction x de nitrure de scandium. La modification du caractère hexagonal de l'alliage par la contrainte est suggérée. L'étude comparative des propriétés d'alliages w-TRxAl1−xN mène à la conclusion que ces matériaux possèdent des propriétés PÉ, élastiques et diélectriques similaires. L'impact négatif de la taille importante des ions TR +3 sur le coefficient PÉ e33 est aussi suggéré. Le calcul des facteurs de mérite d33,f et k233,f démontre que de nombreux w-TRxAl1−xN sont avantageux par rapport au nitrure d'aluminium pour les microdispositifs PÉ. Ces travaux améliorent la compréhension des propriétés physiques des alliages w-TRxAl1−xN. De plus, ils mettent en évidence la possibilité d'optimiser la performance des w-ScxAl1−xN avec les variables de contrainte biaxiale et de configuration du sous-réseau métallique. Finalement, des alternatives aux alliages w-ScxAl1−xN pour les applications de microdispositifs PÉ, comme les w-YbxAl1−xN, sont suggérées.

Abstract

Wurtzite-like substitutional alloys of aluminum nitride and scandium nitride (w-ScxAl1−xN) with high piezoelectric (PE) activity have been discovered following research and development work on new PE materials for microelectromechanical systems (MEMS). The w-ScxAl1−xN alloys are part of the family of wurtzite-like substitutional alloys of aluminum nitride and rare earth nitride (w-RExAl1−xN). Research on high performance PE materials compatible with MEMS processes remains active today as a consequence of industrial demand. In a perspective of material engineering, this thesis established the impact of the metallic sub-lattice configuration and biaxial residual stress on the PE, elastic and dielectric properties of w-ScxAl1−xN alloys. In addition, these same properties are reported for other w-RExAl1−xN alloys, where RE are yttrium and seven lanthanides. A theoretical methodology based on density functional theory and density functional per-turbation theory is utilized to calculate the alloy properties. Alloys are represented with superlattices and special quasi-random structures. In addition, the lanthanide elements are represented by including the 4f electronic shell of their +3 ion in the core of pseudopotentials. The calculations are performed with the ABINIT software package. A significant dependence of the sti˙ness cE33 and PE e33 coeÿcients on the configuration of the metal sub-lattice of w-Sc0.5Al0.5N is found and the thin film coeÿcient d33,f is estimated to vary between 9.3 and 41.4 pm V−1 for the considered alloys. Analysis of the results demonstrates that this is consistent with the established PE behavior model of w-ScxAl1−xN. Also, the thin film figures of merit e31,f , d33,f and k233,f of w-ScxAl1−xN alloys are found to be sensitive to a residual in-plane biaxial stress in a manner analogous to the increase of the fraction of scandium nitride x. It is suggested that a tensile biaxial stress promotes the hexagonal character of the alloy, leading to an increase of its PE activity. The comparative study of the properties of w-RExAl1−xN alloys demonstrates that these materials have similar PE, elastic and dielectric properties. The negative impact of the large size of +3 RE ions on the e33 coeÿcient is also established. The calculation of their figures of merit d33.f and k233.f suggests that many w-RExAl1−xN alloys are preferable to aluminum nitride for PE microdevices. This work improves our understanding of the physical properties of w-RExAl1−xN alloys. In addition, it demonstrates that the metal sub-lattice configuration and biaxial residual stress can be optimization variables for the performance of w-ScxAl1−xN alloys. Finally, alternatives to w-ScxAl1−xN alloys for PE microelectromechanical systems applications, such as w-YbxAl1−xN, are suggested.