[논문 리뷰] Correlation Between Structure and Conductivity of 180-Degree Domain Walls in Ferroelectric BaTi03

Eugene А. Eliseev, P. V. Yudin외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 15.

Nonlocal and gradient elasticity in micro/nano structures인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 n형 rhombohedral BaTiO3에서 180° 도메인 월의 구조, 에너지 및 전도도에 미치는 플렉소전기 결합과 도메인 월의 정렬 방향의 영향을 Landau-Ginzburg-Devonshire 이론을 사용하여 조사한다. 두 가지 별개의 월 상이 존재함을 밝혀내며, {110} 근처에서는 홀수 대칭 상이, {211} 근처에서는 나선형 이중 안정 상이 존재한다. 후자는 전기 위치 에너지의 변화와 자유 전자 농도 증가로 인해 강한 전도도 향상을 보이며, 이로 인해 단일 도메인 영역보다 전도도가 최소 한 계급 이상 높아진다.

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.

연구 동기 및 목표

• n형 BaTiO3에서 플렉소전기 결합과 월 정렬이 180° 도메인 월의 구조와 에너지에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 플렉소전기 효과에 의한 대칭성 붕괴가 도메인 월을 가로질러 전단극 프로파일과 전기 위치 에너지에 어떻게 영향을 주는지 규명하는 것.
• 도메인 월의 정적 전도도와 온도 및 플렉소전기 결합 강도에 따른 의존성에 대해 조사하는 것.
• 정렬에 따라 구분되는 별개의 월 상을 식별하고 그 전이 행동을 분석하는 것.

제안 방법

• 계산의 자구화를 위해 Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) 이론을 사용하여 시스템의 자유 에너지를 모델링하는 것.
• 도메인 월에서 기계적 변형에 의해 유도되는 극화 기울기를 고려하기 위해 플렉소전기 결합을 통합하는 것.
• 플렉소전기 효과에 의한 벽 에너지의 각도 이방성과 대칭성 붕괴를 분석하는 것.
• 탈극화 필드 평가를 위해 도메인 월을 가로질러 극화 프로파일과 전기 위치 에너지 변화를 계산하는 것.
• 위치 에너지 기울기에 의해 유도되는 자유 전자 농도와 그로 인한 정적 전도도를 평가하는 것.
• 전도도 향상을 감지하기 위한 탐측 수단으로 전류-AFM를 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플렉소전기 결합은 BaTiO3에서 180° 도메인 월의 구조적 및 에너제틱 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 180° 도메인 월의 별개의 상은 무엇이며, 그 정렬 방향(예: {110} 대비 {211})에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 벽 평면에 수직인 극화 성분이 탈극화 필드와 전기 위치 에너지 변화를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 도메인 월의 정적 전도도는 단일 도메인 영역의 전도도와 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ5 홀수 상과 나선형 상 사이의 상 전이의 성격은 무엇인가?

주요 결과

• 두 가지 별개의 도메인 월 상이 존재한다: {110} 근처에서는 홀수 대칭 상이, {211} 근처에서는 이중 안정 나선형 상이 존재한다.
• 이 상들 사이의 전이는 급격하며, 거의 제1종 특성을 띤다.
• 플렉소전기 결합은 벽 에너지 이방성의 대칭성을 감소시키며, 수직 극화 성분에 영향을 주어 탈극화 필드를 생성한다.
• 수직 극화 성분은 벽을 가로질러 전기 위치 에너지 변화를 유도하며, 이로 인해 자유 전자 농도가 증가한다.
• 도메인 월의 정적 전도도는 단일 도메인 영역보다 최소 한 계급 이상 높다.
• 전도도 향상은 뚜렷하며 전류-AFM를 통해 감지 가능하다.