Properties and dynamics of ferroelastic domain walls in perovskites

Abstract

Die Eigenschaften und Dynamiken von Domänenwänden (DW) sind von entscheidender Bedeutung für die makroskopischen Materialeigenschaften. Das Verständnis solcher makroskopischer Eigenschaften von Multidomänenkristallen ist für verschiedene technische Anwendungen interessant und eröffnet zahlreiche neue technologische Möglichkeiten. Die größte Herausforderung bei der technischen Anwednung dieser funktionellen Materialien ist jedoch, dass Domänenwände durch Defekte im Kristall fixiert werden können. Das Anhaften und Loslösen von Domänenwänden an Defekten hat einen großen Einfluss auf deren Ausbreitung und dynamisches Verhalten und verlangsamt jeden dynamischen Prozess. Bislang fehlt ein vollständiges Modell zur Erklärung solcher Phänomene. Es existieren zahlreiche Studien, die sich auf ferromagnetische und ferroelektrische Materialien konzentrieren. Gleichzeitig ist über ähnliche Prozesse in ferroelastischen Materialien wenig bekannt. Diese Arbeit untersucht die DW-Dynamik in ferroelastischen Proben durch Dynamisch Mechanische Analyse (DMA). Dafür werden dynamische Messungen in Abhängigkeit von Temperatur, Frequenz und dynamischer Kraftamplitude durchgeführt. Die Methode der DMA erlaubt die Messung dynamischer elastischer Reaktionen sowohl im Frequenzbereich (dynamische Suszeptibilität) als auch im Zeitbereich (Messung der spontanen Verformung bei zunehmender äußerer Spannung). Diese komplementäre Messweise ermöglicht eine umfangreiche Betrachtung von DW-Bewegungen und eignet sich daher hervorragend für diese Studie. Ein feldgetriebenes DW-Segment bewegt sich durch eine komplexe potentielle Energielandschaft, die durch das Wechselspiel von Störung (hervorgerufen durch Defekte) und Ordnung (hervorgerufen durch die Elastizität der DW) entsteht. Durch die Messung der komplexen linearen Suszeptibilität ausgewählter ferroelastischer Materialien konnten Effekte gefunden werden, die eindeutig auf das Vorhandensein einer derartigen komplexen Energielandschaft schließen lassen. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse dass es verschiedene Mechanismen der DW-Bewegung gibt. Bei niedrigen Frequenzen können die Wände makroskopische Verschiebungen durchführen, die irreversibel sind. Bei höheren Frequenzen haften die DW-Segmente an Defekten an und können sich nur reversibel bewegen. Bei Frequenzen nahe einer bestimmten Übergangsfrequenz f* besetzen die DW-Segmente verschiedene lokale Minima der Energielandschaft, die unterschiedlichen metastabilen DW-Konfigurationen entsprechen. In diesem Übergangsbereich treten stochastische Bewegungen der DW-Segmente auf. Dieser Bereich stochastischer Bewegung markiert den Übergang von irreversibler zu reversibler DW Bewegung. Außerdem wird das stochastische DW-Verhalten im Zeitbereich untersucht, wobei Signale von Crackling Noise, hervorgerufen durch unregelmäßige und ruckartige DW-Bewegungen, gefunden werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die DW-Dynamik in ungeordneten ferroischen Materialien universell ist und dass ferroelastische DW ideale Objekte sind, um die Dynamik elastischer Mannigfaltigkeiten zu untersuchen, die durch eine komplexe Energielandschaft getrieben werden.Domain wall (DW) properties and their dynamics are of crucial importance for describing the macroscopic behavior of materials. Understanding macroscopic behaviors of multidomain crystals is important for many technical applications and opens a tremendous amount of new technological possibilities. Huge technological advances could be made when the active element of a device is no longer the bulk but a domain boundary which leads to a decrease in the length scale of e.g. a memory device. However, the main drawback concerning the use of ferroics is that domain walls can be pinned by defects, slowing down any dynamic process. Pinning and depinning of domain walls to defects plays an important role for their propagation and dynamical behavior. Up to now, a complete model to explain such phenomena is still missing. Many studies exist focusing on ferromagnetics and ferroelectrics, although, little is known about similar processes in ferroelastics. This thesis investigates the DW dynamics in ferroelastics with Dynamical Mechanical Analysis (DMA) measurements as a function of temperature, frequency and dynamic force amplitude. DMA is a very appropriate method for this study since it can be used in a complementary way to provide both the dynamic elastic response in the frequency domain (dynamic susceptibility) and in the time domain (measurements of strain drops at increasing external stress). A field-driven DW segment moves through a complex potential energy landscape which is created due to the competition between the disorder (due to defects) and order (due to elasticity of the DW). By measuring the complex linear susceptibility of selected ferroelastics, clear effects of such a complex energy landscape are found. Additionally, the results show that two distinct regimes of domain wall motion exist. At low frequencies the DW's can perform macroscopic displacements leading to an irreversible motion. At high frequencies the DW's are pinned and can only perform reversible movements. At frequencies near a certain transition frequency, f*, the field-driven DW segments probe different local minima of the energy landscape corresponding to different metastable DW configurations. This transition region is dominated by stochastic DW motion. Additionally, the stochastic DW behavior is investigated in the time domain, revealing signatures of Crackling noise due to irregular and jerky DW movements. The results of this thesis suggest that domain wall dynamics in disordered ferroic materials are rather universal and that ferroelastic DW's are ideal objects to study the dynamics of elastic manifolds driven through a random medium