[論文レビュー] Non-Ising Character of a Ferroelectric Wall Arises from a Flexoelectric Effect

Yijia Gu, Menglei Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2013

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、BaTiO₃における180°反強磁性ドメイン壁が、曲げ電気効果により非イジング的性質を示すことが実証された。このため、顕著なブロッホおよびネールの分極成分が生成される。その結果、境界電荷密度は10⁶–10⁷ Cm⁻³に達し、不均一な応力に起因するデポール化場と曲げ電気効果場の競合によって駆動される。

ABSTRACT

Using the classic ferroelectric BaTiO$_3$ as an example, we show that the 180 degree ferroelectric domain wall, long considered to be of Ising-type and charge neural, contains both Bloch and Neel type polarization components, and is thus charged. The bound charge density at the wall may reach as high as 10$^6$~10$^7$ Cm$^{-3}$. It is demonstrated that the flexoelectric effect arising from stress inhomogeneity is responsible for the additional Bloch and Neel polarization components. The magnitudes of these additional components are determined by the competing depolarization and flexoelectric fields.

研究の動機と目的

• 180°反強磁性ドメイン壁の性質を、従来イジング型であると仮定されてきたBaTiO₃において調査すること。
• これらのドメイン壁に見られる予期しない分極成分（ブロッホおよびネール成分）の起源を特定すること。
• ドメイン壁における束縛電荷密度を定量し、反強磁性デバイス挙動に与える影響を評価すること。
• 機械的応力不均一性下での曲げ電気効果が非イジング的性質を生成する役割を確立すること。
• 反強磁性ドメイン壁が電荷中性かつイジング的であるという長年の仮定を解消すること。

提案手法

• 分極、歪み、電場を組み込んだランダウ＝ギンツブルグ＝デヴォンシード（LGD）熱力学モデルを採用した。
• 歪み勾配に起因する分極を説明するため、曲げ電気結合項を組み込んだ。
• ドメイン壁にわたる分極プロファイルを決定するために、電気的および弾性方程式を数値的に連立して解いた。
• 分極場の発散を用いて束縛電荷密度を計算し、イジングおよび非イジング成分の両方の寄与を含めた。
• ドメイン壁構造を決定する要因として、デポール化場と曲げ電気効果場の競合を分析した。
• 対称性解析とドメイン壁電荷の実験的観察との比較を通じて、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ180°反強磁性ドメイン壁は、電荷中性かつイジング型であるとみなされてきたにもかかわらず、非イジング的性質を示すのか？
• RQ2 ドメイン壁に追加のブロッホおよびネール分極成分を生成する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 応力不均一性は、ドメイン壁における分極配置および電荷密度にどのように影響するか？
• RQ4 ドメイン壁における束縛電荷密度の大きさはどの程度で、通常の反強磁性体における値と比べてどうか？
• RQ5 ドメイン壁構造を形作る上で、曲げ電気効果がデポール化場を上回る程度はどの程度か？

主な発見

• BaTiO₃における180°反強磁性ドメイン壁には顕著なブロッホおよびネール分極成分が含まれており、これは純粋なイジング型ではないことを証明している。
• ドメイン壁における束縛電荷密度は最大で10⁶–10⁷ Cm⁻³に達し、強い電荷を有する界面であることを示している。
• 曲げ電気効果（歪み不均一性に起因）が、非イジング的分極成分の主な発生源である。
• これらの追加分極成分の大きさは、デポール化場と曲げ電気効果場の競合によって支配されている。
• ドメイン壁構造は、静電エネルギーと歪みエネルギーのバランスによって安定化されており、曲げ電気効果が重要な役割を果たしている。
• 本研究は、180°ドメイン壁が電荷中性かつ純粋にイジング的であるという長年の仮定を見直し、より複雑で、電荷を有し、異方的である性質を明らかにした。