[論文レビュー] Tuning the Polar States of Ferroelectric Films via Surface Charges and Flexoelectricity

Ivan S. Vorotiahin, Eugene А. Eliseev+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2017

Acoustic Wave Resonator Technologies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、自己無撞着なランダウ＝ギンツブルグ＝デヴォンシアー（LGD）フレームワークを用いて、表面スクリーニング電荷（バリーン型）とフレクソカップリングが、薄膜フェロエレクトリックにおける分極状態を共同で調整することを示した。表面スクリーニング長が臨界厚さおよび転移温度に強く依存すること、またフレクソカップリングがナノスケールのリボン状ドメインを生成し、分極を再配列させることで、電機械的性質が顕著に変化することを明らかにした。

ABSTRACT

Using the self-consistent Landau-Ginzburg-Devonshire approach we simulate and analyze the spontaneous formation of the domain structure in thin ferroelectric films covered with the surface screening charge of the specific nature (Bardeen-type surface states). Hence we consider the competition between the screening and the domain formation as alternative ways to reduce the electrostatic energy and reveal unusual peculiarities of distributions of polarization, electric and elastic fields conditioned by the surface screening length and the flexocoupling strength. We have established that the critical thickness of the film and its transition temperature to a paraelectric phase strongly depend on the Bardeen screening length, while the flexocoupling affects the polarization rotation and closure domain structure and induces ribbon-like nano-scale domains in the film depth far from the top open surface. Hence the joint action of the surface screening (originating from e.g. the adsorption of ambient ions or surface states) and flexocoupling may remarkably modify polar and electromechanical properties of thin ferroelectric films.

研究の動機と目的

• 薄いフェロエレクトリック薄膜における分極状態に及ぼす表面スクリーニング電荷とフレクソカップリングの影響を理解すること。
• 電気的スクリーニングとドメイン形成の間の競合が、電気的エネルギーを低減するために果たす役割を解明すること。
• 臨界膜厚さおよび相転移温度に及ぼす表面スクリーニング長およびフレクソカップリング強度の影響を分析すること。
• 表面状態およびフレクソエレクトリシティ効果を有する膜における非一様な分極および弾性場の出現を調査すること。
• フレクソカップリングが膜表面から離れた位置にナノスケールのドメイン構造を生成する役割を明らかにすること。

提案手法

• 薄いフェロエレクトリック薄膜内の電気的スクリーニング、弾性、分極場のカップリングをモデル化するために、自己無撞着なランダウ＝ギンツブルグ＝デヴォンシアー（LGD）法を用いる。
• バリーン型の表面状態を導入し、特定のスクリーニング長を有する表面スクリーニング電荷をモデル化する。
• ひずみ勾配と分極を結合するフレクソカップリング項をモデルに組み込み、分極の回転およびドメイン再配列を可能にする。
• 表面電荷スクリーニングおよび自由表面を考慮した境界条件の下で、数値的にシステムを解く。
• スクリーニングによる電気的エネルギー最小化とドメイン形成の間の競合を分析し、基底状態の配置を特定する。
• 表面スクリーニング長およびフレクソカップリング強度といった主要パラメータの影響を体系的に変化させ、膜の性質に与える影響を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面スクリーニング長がフェロエレクトリック膜における臨界厚さおよび準正方性転移温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 フレクソカップリングが非一様な分極状態およびナノスケールのドメイン構造を安定化させる役割は何か？
• RQ3 薄膜において、表面スクリーニングとドメイン形成は、電気的エネルギーを低減するためにどのように競合するか？
• RQ4 フレクソカップリングは、膜内部の深くまで分極の回転およびリボン状ドメインをどのように誘発するか？
• RQ5 表面電荷とフレクソエレクトリシティの共同作用下で、分極、電場、弾性ひずみの分布はどのように変化するか？

主な発見

• 表面スクリーニング長が短くなるほど、フェロエレクトリック性の臨界厚さが増加し、短いスクリーニング長で分極が強く安定化されることを示した。
• 表面スクリーニング長が短くなると、表面での電気的スクリーニングが強化されるため、準正方性転移温度が顕著に低下することが分かった。
• フレクソカップリングにより、分極が膜の垂直方向からずれ、面内成分が生じ、複雑なドメインパターンが形成された。
• 外部電場が存在しない状態でも、フレクソカップリングにより膜内部にリボン状のナノスケールドメインが出現した。
• 電場および弾性ひずみの分布は顕著に非一様となり、表面付近およびドメイン内部で強い勾配が生じ、表面電荷とフレクソエレクトリシティの相互作用が原因であった。
• 表面スクリーニングとフレクソカップリングの共同作用により、電機械的応答が顕著に変化し、超薄膜においてチューナブルな分極状態が実現可能となった。