[論文レビュー] Correlation Between Structure and Conductivity of 180-Degree Domain Walls in Ferroelectric BaTi03

Eugene А. Eliseev, P. V. Yudin+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2012

Nonlocal and gradient elasticity in micro/nano structures被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Landau-Ginzburg-Devonshire理論を用いて、n型の斜方晶BaTiO3における180°ドメイン壁の構造、エネルギー、および電導度に及ぼす曲げ電気効果結合およびドメイン壁の配向の影響を調査する。2つの異なる壁相が同定され、{110}に近い位置では奇対称性の相、{211}に近い位置ではキラルな二安定状態の相が存在する。後者の相は、電界ポテンシャルの変化と自由キャリアの蓄積により、電導度が著しく向上し、単一ドメイン領域の電導度よりも少なくとも1桁以上高い電導度を示す。

ABSTRACT

Using Landau-Ginzburg-Devonshire theory we self-consistently calculate the influence of the flexoelectric coupling and orientation on the 180-degree domain wall structure, intrinsic energy and static conductivity in rhombohedral phase of n-type BaTiO3. Two types of domain wall structures (phases of the wall) exist depending on the wall orientation. The stable odd phase occurs in the vicinity of the {110} wall orientation and has polarization profile invariant with respect to inversion about the wall center. The second bistable phase occurs around {211} wall orientations and corresponds to mixed parity chiral domain walls that may be switched from the left-handed state to the right-handed one. The transformation between the phases is abrupt and close to the first order. The flexoelectric effect reduces the symmetry of the wall energy angular anisotropy and strongly influences the value and rotation symmetry of the polarization component normal to the wall plane. The component, inherent to the both wall types, causes the depolarization field and electric potential variation across the wall. Electric potential variation leads to free carriers accumulation by the wall. Depending on the temperature and flexoelectric coupling strength the wall static conductivity becomes at least one order higher than in the single-domain region, creating the conductivity enhancement pronounced and easily detectable by current-AFM.

研究の動機と目的

• n型の斜方晶BaTiO3における180°ドメイン壁の構造およびエネルギーに及ぼす曲げ電気効果結合および壁の配向の影響を理解すること。
• 曲げ電気効果による対称性の破れが、ドメイン壁を貫く極化プロファイルおよび電界ポテンシャルに与える影響を特定すること。
• ドメイン壁の静的電導度とその温度および曲げ電気効果結合強度依存性を調査すること。
• 壁の配向に基づく明確な壁相の同定およびその変換行動の特定。

提案手法

• 系の自由エネルギーをモデル化するため、自己無撞着なLandau-Ginzburg-Devonshire (LGD)理論を用いた計算。
• ドメイン壁における歪み誘起極化勾配を考慮するため、曲げ電気効果結合を組み込む。
• 曲げ電気効果による壁エネルギーの方位的異方性および対称性の破れの分析。
• ドメイン壁を貫く極化プロファイルおよび電界ポテンシャルの変化の計算により、自己分極化場の評価。
• ポテンシャル勾配に起因する自由キャリアの蓄積とそれに続く静的電導度の評価。
• 電導度の向上を検出するためのcurrent-AFMの利用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 曲げ電気効果結合は、BaTiO3における180°ドメイン壁の構造的およびエネルギー的性質にどのように影響するか？
• RQ2 180°ドメイン壁の明確な相とは何か、壁の配向（例：{110}対{211}）に依存するか？
• RQ3 壁面に垂直な極化成分が、自己分極化場および電界ポテンシャルの変化を生成する役割を果たすか？
• RQ4 ドメイン壁の静的電導度は、単一ドメイン領域のそれと比べてどのように異なるか？
• RQ5 奇対称性の壁相とキラルな壁相の間の相転移の性質は何か？

主な発見

• 2つの異なるドメイン壁相が存在する：{110}に近い配向では奇対称性の相、{211}に近い配向では二安定なキラル相。
• これらの相の間の転移は急激で、ほぼ一次の性質を示す。
• 曲げ電気効果結合は、壁エネルギー異方性の対称性を低下させ、垂直方向の極化成分に影響を与え、自己分極化場を生成する。
• 垂直方向の極化成分は、ドメイン壁を貫いて電界ポテンシャルの変化を引き起こし、自由キャリアの蓄積をもたらす。
• ドメイン壁の静的電導度は、単一ドメイン領域のそれよりも少なくとも1桁以上高い。
• 電導度の向上は顕著であり、current-AFMを用いて検出可能である。