[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究证明，BaTiO₃ 中的 180°铁电畴壁由于具有弯曲电致伸缩效应，表现出非伊辛特性，产生显著的布洛赫和尼尔极化分量。由此产生的束缚电荷密度可达 10⁶–10⁷ Cm⁻³，其驱动力源于由应力不均匀性引起的去极化场与弯曲电致伸缩场之间的竞争。

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.

研究动机与目标

• 研究传统上被认为具有伊辛特性的 BaTiO₃ 中 180° 铁电畴壁的性质。
• 确定这些畴壁中出乎意料的极化分量（布洛赫与尼尔分量）的起源。
• 量化畴壁处的束缚电荷密度，并评估其对铁电器件行为的影响。
• 确立弯曲电致伸缩效应在机械应力不均匀性下产生非伊辛特性的角色。
• 解决长期以来认为铁电畴壁是电荷中性且具有伊辛特性的假设。

提出的方法

• 采用包含极化、应变和电场的朗道-金兹堡-德文希尔斯（LGD）热力学模型。
• 引入弯曲电致伸缩耦合项，以考虑由应变梯度引起的极化。
• 通过数值求解耦合的静电学与弹性方程，确定畴壁处的极化分布。
• 利用极化场的散度计算束缚电荷密度，包括伊辛与非伊辛分量的贡献。
• 分析去极化场与弯曲电致伸缩场之间的竞争，以确定畴壁结构。
• 通过群对称性分析和与实验观测到的畴壁电荷的对比，验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何 BaTiO₃ 中的 180° 铁电畴壁尽管被认为电荷中性且具有伊辛特性，却表现出非伊辛特性？
• RQ2 何种物理机制导致畴壁中产生额外的布洛赫与尼尔极化分量？
• RQ3 应力不均匀性如何影响畴壁处的极化构型与电荷密度？
• RQ4 畴壁处的束缚电荷密度大小如何？与典型铁电材料中的值相比有何差异？
• RQ5 弯曲电致伸缩效应在多大程度上主导去极化场，从而塑造畴壁结构？

主要发现

• BaTiO₃ 中的 180° 铁电畴壁含有显著的布洛赫与尼尔极化分量，证明其并非纯粹的伊辛类型。
• 畴壁处的束缚电荷密度可达 10⁶–10⁷ Cm⁻³，表明界面具有强电荷特性。
• 弯曲电致伸缩效应——源于应变不均匀性——是非伊辛极化分量的主要来源。
• 这些额外极化分量的大小由去极化场与弯曲电致伸缩场之间的竞争所决定。
• 畴壁结构由静电能与应变能之间的平衡所稳定，弯曲电致伸缩在其中起关键作用。
• 本研究修正了长期以来认为 180° 異质畴壁为电荷中性且纯粹伊辛的假设，揭示其具有更复杂、带电且各向异性的特性。