3 research outputs found
Observation of Antiferroelectric Domain Walls in a Uniaxial Hyperferroelectric
Ferroelectric domain walls are a rich source of emergent electronic
properties and unusual polar order. Recent studies showed that the
configuration of ferroelectric walls can go well beyond the conventional
Ising-type structure. N\'eel-, Bloch-, and vortex-like polar patterns have been
observed, displaying strong similarities with the spin textures at magnetic
domain walls. Here, we report the discovery of antiferroelectric domain walls
in the uniaxial ferroelectric PbGeO. We resolve highly
mobile domain walls with an alternating displacement of Pb atoms, resulting in
a cyclic 180 flip of dipole direction within the wall. Density
functional theory calculations reveal that PbGeO is
hyperferroelectric, allowing the system to overcome the depolarization fields
that usually suppress antiparallel ordering of dipoles along the longitudinal
direction. Interestingly, the antiferroelectric walls observed under the
electron beam are energetically more costly than basic head-to-head or
tail-to-tail walls. The results suggest a new type of excited domain-wall
state, expanding previous studies on ferroelectric domain walls into the realm
of antiferroic phenomena
Visualizing Ferroelectric Domain Structures in ErMnO3 and Pb5Ge3O11 by Electron Microscopy
Ferroelektriske domenevegger har nylig tiltrukket Ăžkende oppmerksomhet som nye kandidater for funksjonelle 2D-systemer. Disse atomskarpe grensesnittene som kan flyttes,
opprettes og fjernes med elektriske felt, kan brukes til Ă„ lage elektroniske enheter med
en fleksibilitet som ikke finnes i andre materialer. For mange multiferroiske materialer
er imidlertid mye av den underliggende fysikken til ladede domenevegger fortsatt ukjent
som begrenser potensialet for Ä utvikle enheter. Fullstendig undersÞkelser av domenevegger krever en romlig opplÞsning i en rekkevidde fra over mesoskopisk til mindre enn nanoskopisk som transmisjonselektronmikroskopet (TEM) dekker. Domenestrukturene gir imidlertid ikke en dominerende bildekontrast, sÄ spesialiserte teknikker er nÞdvendig for Ä visualisere dem. Selv med disse teknikkene, er kontrasten lett Ä misforstÄ og samsvare hÞyopplÞsningsresultater fra TEM med andre teknikker som sveipelektronmikroskopet (SEM) kan vÊre svÊrt fordelaktig. I denne oppgaven har bÄde SEM og
TEM blitt anvendt for Ă„ undersĂžke teknikker og rutiner for Ă„ studere de ferroelektriske
domenestrukturer av ErMnO3 og Pb5Ge3O11.
PrĂžver fra begge materialer prepareres for fĂžrste gang ved mekanisk stativpolering,
og danner en stor (> 1 mm) elektron-gjennomsiktig kant uten et amorft lag eller potensiell skade fra ioner som vanligvis brukes i tynningsprosessen. En SEM brukes til Ä gi en oversikt over domenevegger langs den store kanten. Domener er observert Ä bare vÊre synlige over en kritisk tykkelse pÄ 427 nm i ErMnO3. Et to-trinns preparering ble utviklet, hvor fÞrst en ble brukt til Ä ta oversiktsbilder pÄ en prÞve over kritisk
tykkelse. Forsiktig Ar-ioneetsing ble deretter gjort for TEM-analyse av omrÄdene kartlagt av SEM. For ErMnO3 er 002 refleksjonen funnet gjennom simuleringer til Ä vÊre det beste valget for mÞrkefelt bilder. Stativpolering innfÞrte imidlertid for mange defekter for Ä finne domenevegger ved bruk av mÞrkefelt bilder. PrÞvene var fortsatt anvendbare for hÞy kvalitets atom avbildning med hÞyopplÞselig TEM og sveip transmisjonselektronmikroskopi (STEM). Polariseringen ble funnet i en perfekt pulverprÞve ved bruk av
en ringformet detektor i mĂžrkefelt STEM ved Ă„ ta en serie bilder med rekonstruksjon i et ikke-korrigert STEM. Pb5Ge3O11 stativpolerte prĂžver var derimot fri for induserte defekter, men overflaten ble skadet i stedet. Elektronmikroskopstudier av stativpolerte prĂžver lider sterkt av oppladningseffekter og strĂ„leskader. De amorfiserte raskt med en kritisk dose pĂ„ 0.64 C/cm^2 (3.99 â 10^2 e/Ă
^2) per nanometer i STEM-modus. I TEM modus dekomponerer materialet til Pb-partikler med en kritisk dose pĂ„ 5.78 Ă10^3 C/cm^2 (3.61 â 10^6 e/Ă
^2).
AngĂ„ende de ferroelektriske domenene til Pb5Ge3O11, ble de funnet Ă„ bli lett omskrevet under avbildning i SEM, selv med en lav elektronstrĂžm (â€0.1 nA) og spenning (â€5 keV). BĂ„de tykkelse og geometri spiller en rolle, hvor tynnere omrĂ„der og skarpe kanter er de mest sĂ„rbare for Ă„ bli omskrevet av elektronstrĂ„len. PĂ„ grunn av oppladningseffekter var kantene spesielt utfordrende for avbildning, sĂ„ rutinen med Ă„ samsvare
TEM og SEM pÄ samme lokasjon i prÞven kunne ikke brukes for Ä studere domenestrukturen. I stedet ble SEM brukt til tykkere deler av de stativpolerte prÞvene og TEM pÄ den tynne kanten. For Pb5Ge3O11 ble 003-refleksjonen funnet gjennom simuleringer til Ä vÊre det ideelle valget for mÞrkefelt bilder, og flere grensesnitt som ligner pÄ domenemurer ble studert. Konvergerende elektron diffraksjon ble brukt til Ä finne polarisering lokalt i en pulverprÞve, men kunne ikke brukes pÄ stativpolerte prÞver pÄ grunn av
oppladningseffekter. Resultatene av dette studiet identifiserer grensene for avbildning av atomstrukturen i domenevegger i Pb5Ge3O11, som aldri har blitt oppnÄdd, men er essensielt for videre undersÞkelser av de grunnleggende egenskapene av de fascinerende domeneveggene
Observation of Unconventional Dynamics of Domain Walls in Uniaxial Ferroelectric Lead Germanate
Application of scanning probe microscopy techniques such as piezoresponse force microscopy (PFM) opens the possibility to reâvisit the ferroelectrics previously studied by the macroscopic electrical testing methods and establish a link between their local nanoscale characteristics and integral response. The nanoscale PFM studies and phase field modeling of the static and dynamic behavior of the domain structure in the wellâknown ferroelectric material lead germanate, Pb5Ge3O11, are reported. Several unusual phenomena are revealed: 1) domain formation during the paraelectricâtoâferroelectric phase transition, which exhibits an atypical cooling rate dependence; 2) unexpected electrically induced formation of the oblate domains due to the preferential domain walls motion in the directions perpendicular to the polar axis, contrary to the typical domain growth behavior observed so far; 3) absence of the bound charges at the 180° headâtoâhead (HâH) and tailâtotail (TâT) domain walls, which typically exhibit a significant charge density in other ferroelectrics due to the polarization discontinuity. This strikingly different behavior is rationalized by the phase field modeling of the dynamics of uncharged HâH and TâT domain walls. The results provide a new insight into the emergent physics of the ferroelectric domain boundaries, revealing unusual properties not exhibited by conventional Isingâtype walls