[论文解读] Correlation Between Structure and Conductivity of 180-Degree Domain Walls in Ferroelectric BaTi03

Eugene А. Eliseev, P. V. Yudin+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2012

Nonlocal and gradient elasticity in micro/nano structures被引用 3

一句话总结

本研究采用朗道-金兹堡-德翁希理论，探究了弯曲电耦合与畴壁取向对n型菱方相BaTiO3中180°畴壁的结构、能量和电导率的影响。研究识别出两种不同的壁相：一种为近{110}取向的奇对称相，另一种为近{211}取向的螺旋双稳态相。后者由于电势变化和自由载流子累积，表现出显著的电导率增强，其电导率至少比单域区域高出一个数量级。

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.

研究动机与目标

• 理解弯曲电耦合与畴壁取向对n型BaTiO3中180°畴壁结构与能量的影响。
• 确定通过弯曲电效应引起的对称性破缺如何改变畴壁处的极化分布与电势分布。
• 研究畴壁的静态电导率及其对温度和弯曲电耦合强度的依赖性。
• 基于取向识别不同的壁相及其转变行为。

提出的方法

• 使用朗道-金兹堡-德翁希（LGD）理论进行自洽计算，以模拟系统的自由能。
• 引入弯曲电耦合，以考虑畴壁处应变引起的极化梯度。
• 分析由弯曲电效应引起的壁能角各向异性和对称性破缺。
• 计算畴壁处的极化分布与电势变化，以评估去极化场的影响。
• 评估由势梯度引起的自由载流子累积及其导致的静态电导率。
• 使用电流-AFM作为电导率增强的检测方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 弯曲电耦合如何影响BaTiO3中180°畴壁的结构与能量特性？
• RQ2 180°畴壁存在哪些不同的相态？它们如何依赖于壁取向（例如{110}与{211}）？
• RQ3 垂直于壁面的极化分量在生成去极化场和电势变化中起什么作用？
• RQ4 畴壁的静态电导率与单域区域相比如何？
• RQ5 奇对称相与螺旋相之间的相变本质是什么？

主要发现

• 存在两种不同的畴壁相：一种为近{110}取向的奇对称相，另一种为近{211}取向的双稳态螺旋相。
• 这两种相之间的转变是突变的，且接近一级相变特征。
• 弯曲电耦合降低了壁能各向异性的对称性，并影响了法向极化分量，从而产生去极化场。
• 法向极化分量导致壁内电势分布变化，进而引起自由载流子累积。
• 畴壁的静态电导率至少比单域区域高出一个数量级。
• 电导率增强显著，可通过电流-AFM有效检测。