[논문 리뷰] Tuning the Polar States of Ferroelectric Films via Surface Charges and Flexoelectricity

Ivan S. Vorotiahin, Eugene А. Eliseev외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 01.

Acoustic Wave Resonator Technologies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 자가일관된 Landau-Ginzburg-Devonshire 프레임워크를 사용하여 표면 스크리닝 전하(Bardeen 유형)와 플렉소커플링이 얇은 페로일렉트릭 필름의 분극 상태를 공동으로 조절함을 입증한다. 이는 임계 두께와 전이 온도가 표면 스크리닝 길이에 매우 강하게 의존하며, 플렉소커플링이 나노스케일 띠 모양의 도메인을 유도하고 분극을 재정렬하여 전기기계적 성질을 크게 변화시킴을 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표면 스크리닝 전하와 플렉소커플링이 얇은 페로일렉트릭 필름의 분극 상태에 미치는 영향을 이해하기.
• 전기적 스크리닝과 도메인 형성이 전기적 에너지를 최소화하는 데 경쟁하는 메커니즘을 해결하기.
• 임계 필름 두께와 상전이 온도에 대한 표면 스크리닝 길이와 플렉소커플링 강도의 영향을 분석하기.
• 표면 상태와 플렉소일렉트릭 효과가 있는 필름에서 비균일한 분극과 탄성장의 발생을 조사하기.
• 플렉소커플링이 표면에서 멀리 떨어진 곳에서도 나노스케일 도메인 구조를 생성하는 데 수행하는 역할을 밝히기.

제안 방법

• 얇은 페로일렉트릭 필름 내의 전기적, 탄성적, 분극장의 연성된 상호작용을 모델링하기 위해 자가일관된 Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) 방법을 사용한다.
• 특정 스크리닝 길이를 갖는 표면 스크리닝 전하를 모의하기 위해 Bardeen 유형의 표면 상태를 도입한다.
• 변형률 기울기를 분극에 연결하는 플렉소커플링 항을 모델에 통합하여 분극의 회전과 도메인 재정렬을 가능하게 한다.
• 표면 전하 스크리닝과 자유 표면을 고려한 경계 조건 하에서 시스템을 수치적으로 해결한다.
• 스크리닝을 통한 전기적 에너지 최소화와 도메인 형성 간의 경쟁을 분석하여 최저 에너지 상태를 도출한다.
• 핵심 매개변수인 표면 스크리닝 길이와 플렉소커플링 강도의 영향을 체계적으로 변화시켜 필름 성질에 미치는 영향을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 스크리닝 길이가 페로일렉트릭 필름의 임계 두께와 파라열전 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 플렉소커플링은 비균일한 분극 상태와 나노스케일 도메인 구조를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 얇은 필름에서 표면 스크리닝과 도메인 형성이 전기적 에너지를 최소화하는 데 어떻게 경쟁하는가?
• RQ4 플렉소커플링은 어떻게 필름 내부 깊숙이까지 분극의 회전과 띠 모양의 도메인을 유도하는가?
• RQ5 표면 전하와 플렉소일렉트릭이 함께 작용할 때 분극, 전기장, 탄성 변형의 분포는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 표면 스크리닝 길이가 감소할수록 페로일렉트릭성의 임계 두께가 증가하여 짧은 스크리닝 길이에서 분극이 더 강하게 안정화됨을 나타낸다.
• 표면 스크리닝 길이가 감소함에 따라 파라열전 온도가 크게 저하되며, 이는 표면에서의 전기적 스크리닝 강도 증가 때문임을 규명했다.
• 플렉소커플링은 분극을 필름의 법선 방향에서 벗어나 평면 내 성분을 유도하고 복잡한 도메인 패tern을 만들어낸다.
• 외부 전계 없이도 플렉소커플링으로 인해 표면에서 멀리 떨어진 필름 내부에 띠 모양의 나노스케일 도메인이 형성됨을 확인했다.
• 전기장과 탄성 응력의 분포가 매우 비균일해지며, 표면 근처와 도메인 내부에서 강한 기울기를 보이며 표면 전하와 플렉소일렉트릭의 상호작용에 의해 유도됨을 밝혔다.
• 표면 스크리닝과 플렉소커플링의 상호작용으로 전기기계적 반응이 크게 수정되어 초박막 필름에서 조절 가능한 분극 상태를 실현함을 규명했다.