Ferroelectric Domain Walls: Statics, Dynamics, and Functionalities Revealed by Atomic Force Microscopy

با استفاده از وضوح نانو متریک تکنیک‌های میکروسکوپ نیروی اتمی، این کار فیزیک بنیادی غنی و قابلیت‌های جدید دیواره‌های حوزه در مواد فروالکتریک را بررسی می‌کند، که در مقیاس نانو مناطقی از قطبش خود به خودی با جهت‌گیری متفاوت را از هم جدا می‌کند. با توجه به تقارن محلی ناشی از تغییر در قطبش، دیوارهای دامنه دارای یک پاسخ پیزوالکتریک جانبی غیرمنتظره هستند، حتی زمانی که این تقارن در ماده اصلی ممنوع است. این کاربردهای بالقوه جالبی در دستگاه های الکترومکانیکی مبتنی بر الگوبرداری حوزه فروالکتریک دارد. علاوه بر این، نشان داده شده است که رسانایی الکتریکی در دیواره‌های حوزه در تیتانات زیرکونات سرب عایق‌کننده ایجاد می‌شود، اولین مشاهده از این قبیل خارج از فریت بیسموت چند فرویک، به دلیل تمایل دیواره‌ها به محلی‌سازی عیوب. سپس نقش عیوب در چارچوب نظری رابط‌های الاستیک نامنظم که دارای مقیاس‌بندی زبری مشخصه و پاسخ دینامیکی پیچیده هستند، بررسی می‌شود. نشان داده شده است که چشم انداز بی نظمی ناهمگن در لایه های نازک فروالکتریک منجر به شکست ناهمواری معمول خود وابسته می شود که احتمالاً مربوط به سنجاق کردن قوی در نقص های فردی است. در نهایت، نقش شرایط محیطی مختلف و تراکم نقص در سوئیچینگ دامنه بررسی شده و نشان داده شده است که به اندازه کافی به عنوان رقابت بین اثرات غربالگری و سنجاق مدل‌سازی شده است.

Using the nano metric resolution of atomic force microscopy techniques, this work explores the rich fundamental physics and novel functionalities of domain walls in ferroelectric materials, the nano scale interfaces separating regions of differently oriented spontaneous polarization. Due to the local symmetry-breaking caused by the change in polarization, domain walls are found to possess an unexpected lateral piezoelectric response, even when this is symmetry-forbidden in the parent material. This has interesting potential applications in electromechanical devices based on ferroelectric domain patterning. Moreover, electrical conduction is shown to arise at domain walls in otherwise insulating lead zirconate titanate, the first such observation outside of multiferroic bismuth ferrite, due to the tendency of the walls to localize defects. The role of defects is then explored in the theoretical framework of disordered elastic interfaces possessing a characteristic roughness scaling and complex dynamic response. It is shown that the heterogeneous disorder landscape in ferroelectric thin films leads to a breakdown of the usual self-affine roughness, possibly related to strong pinning at individual defects. Finally, the roles of varying environmental conditions and defect densities in domain switching are explored and shown to be adequately modelled as a competition between screening effects and pinning.