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Propiedades geométricas de paredes de dominio en materiales ferroeléctricos

Sebastian BustingorryCONICET – Centro Atómico Bariloche

TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014

Alejandro Kolton, Ezequiel Ferrero(CAB)

Jill Guyonnet, Patrycja ParuchElizabeth Agoritzas, Therry Giamarchi

(DPMC, U. Ginebra, Suiza)


Propiedades geométricas de paredes de dominio en materiales ferroeléctricos

Sebastian BustingorryCONICET – Centro Atómico Bariloche

LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS

Pared de dominio magnética


¿Por qué estudiar líneas elásticas?


Pared de dominio magnéticaFracturas




Pared de dominio magnéticaFracturasLínea de pegado




Pared de dominio magnéticaFracturasLínea de pegadoDepósito de partículas/

crecimiento de interfases




Pared de dominio magnéticaFracturasLínea de pegadoDepósito de partículas /

crecimiento de interfasesDinámica del frente celular




Pared de dominio magnéticaFracturasLínea de pegadoDepósito de partículas /

crecimiento de interfasesDinámica del frente celularCrecimiento de colonias bacterianasFrente de quemadoSuperficies vecinalesTransición de mojadoTransición de depinningTerremotosIncendiosGeomorfologíaetc....


¿Por qué estudiar líneas elásticas? UNIVERSALIDAD!!



Descripción efectiva a partir de ingredientes mínimos




Punto de partida: EW + KPZ + fuerza externa + temperatura + ruido congelado




EW no-armónico KPZ largo alcance ruido congelado ruido

Punto de partida: EW + KPZ + fuerza externa + temperatura + ruido congelado



Propiedades geométricas

Nos pueden dar información sobre interacciones físicas relevantes

Competencia entre elasticidad/temperatura/desorden






z+r

Función de rugosidad: función de correlación de desplazamientos

z

: exponente de rugosidad

¿Cómo caracterizamos la geometría?




Función de rugosidad: exponente de rugosidad

Lemerle et al, PRL, 80, 849 1998 Mourot et al, PRE, 71, 016136, 2005

pared de dominio ferromagnética fracturas (cemento)






elasticidad fluctuaciones térmicas

la interfase quiere ser plana la interfase fluctúa aleatoriamente



elasticidad desorden

la interfase quiere ser rugosa,se gana energía aprovechandopaisaje energético desordenado

la interfase quiere ser plana

desorden






elasticidad temperatura

desorden






elasticidad temperatura

EW no-armónico KPZ largo alcance ruido congelado ruido

exponente de rugosidad = información sobre la física relevante

PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS


Pup

Pdown

T > TC

T < TC

F

P

A

B

O

parámetro de orden: polarización eléctricacampo conjugado: campo eléctrico

Pup

Pdown

T > TC

T < TC

F

P

A

B

O

polarización eléctrica local:el catión B fuera del centro

Diagrama de energía libre(Landau-Ginzburg,

transición de segundo orden)Diagrama de histéresis P-E



Histéresis de la polarización anteun campo eléctrico aplicado

campo coercitivo

La polarización puede cambiarse de forma reversible aplicando un campo eléctrico



+ - +

- + -

Paredes de dominio (interfases)

Pdown

A

B O

Pup

A

B

O

Familia de perovskitas ABO3

paredes de dominio en películas delgadas de PZT

Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 espesor = 60nm



¿Cómo medir la polarización? Microscopía de fuerza atómica PFM (piezoresponse force microscopy)

topografía superficial fase PFM: estado de polarización amplitud PFM: interfase

Pup

Pdown

500 nm



fase PFM

180°

0

Los dominios se pueden escribir con PFM!!!ultra-alto-vacío, temperatura, atmósfera

intensidad del campo eléctrico, duración de aplicación



P. Paruch et al., Phys. Rev. Lett. 94, 197601 (2005)

Estudios previos en PZT

presión y temperatura ambiente

paredes de dominio bidimensionalescon interacciones dipolares



Previous studies

P. Paruch et al., Phys. Rev. B 85, 214115 (2012)

Estudios previos en PZT

tratamientos térmicos

diferentesatmósferas(O2, Ar)

crossover 2D - 1D



SrTiO3 substrato:

DyScO3 substrato:

● dislocaciones, defectos extendidos● alta densidad de vacancias de oxígeno

● alta calidad de cristales● pocas vacancias de oxígeno

5 μm

G.-L. Yuan et al., Appl. Phys. Lett. 95, 012904 (2009)

4.8 μm



5 μm

4.8 μm

SrTiO3 (+ des.)

DyScO3 (- des.)

condicionesambiente

ultra-alto-vacío

desorden apantallamientodipolar



Kalinin et al., Phys. Rev. Lett. 100, 155703(2008)Rodriguez et al., Appl. Phys. Lett. 93, 142901 (2008)Jesse et al, Nat. Mater. 7, 209 (2008)

Centros de pinning localy fluctuaciones intensidad/tipo de desorden

TEM

película delgadaPZT (ferroeléctrico)

(60 nm)

fase PFM

180°

0

control:ultra-alto-vacíocondiciones ambiente

preguntas:- rol de los defectos fuertes- exponente de rugosidad- mono-afinidad

MONO-AFINIDAD


Santucci et al., Phys. Rev. E. 75, 016104 (2007)

PDF de desplazamientos correlacion de desplazamientos

collapso ∀ nmono-afinidad:mono-afinidad: distribución Gaussiana


Santucci et al., Phys. Rev. E. 75, 016104 (2007)

PDF de desplazamientos correlacion de desplazamientos

collapso ∀ nmono-afinidad:mono-afinidad: distribución Gaussiana

Si P(Δu(r)) es Gaussiana, entonces colapsa a todo orden n

MONO-AFINIDAD


● polímero dirigido en 1D

● equilibrio

● desorden débil

se utiliza como sistema de referencia para comparar con los experimentos

● PDF de desplazamientos Gaussiana

● exponente de rugosidad:

MONO-AFINIDAD


Polímero dirigido

● Distribución Gaussiana

● Mono-afinidad

tamaño del sistema = 2048

colapso = Gaussianamono-afinidad

efectos de tamaño finito

MONO-AFINIDAD


fase PFM

180°

0

MONO-AFINIDAD


colapsodistribución Gaussianamono-afinidad

500 nm

MONO-AFINIDAD


500 nm

MONO-AFINIDAD

NO hay colapsoNO es Gaussianamono-afinidad?


NO hay colapsoNO es Gaussianamono-afinidad?

500 nm

?

MONO-AFINIDAD


se recupera el colapso!cuando no se considerael defecto central

500 nm

MONO-AFINIDAD


se recupera el colapso!cuando no se considerael defecto central

500 nm

MONO-AFINIDAD

Estudiaremos el exponente de rugosidad solode paredes de dominio Gaussianas (mono-afinidad)

EXPONENTE DE RUGOSIDAD


¿promedio la función rugosidad?

¿promedio el exponente?

?


y (si )



L = 2048 L = 512

L = 2048



Mean value = ζ = 0.64FWHM = 0.18Skewness = -0.36

promedio de la función rugosidad distribución del exponente de rugosidad

Los promedios convergen al promediar N ~ 40 paredes de dominio mono-afines

?



ζ = 0.57σ = 0.05FWHM = 0.12

ζavg

= 0.57

estudios previos

● pared de dominio 2D con interacciones dipolares: ζ = 0.26

● 2D-1D crossover con ciclado térmico: ζ = 0.5-0.6Paruch et al., Phys. Rev. B 85, 214115 (2012)

Paruch et al., Phys. Rev. Lett. 94, 197601 (2005)

vacío

condiciones ambiente


40 paredesde dominios Gaussianas


ζ = 0.57σ = 0.05FWHM = 0.12

ζavg

= 0.57

estudios previos

● pared de dominio 2D con interacciones dipolares: ζ = 0.26

● 2D-1D crossover con ciclado térmico: ζ = 0.5-0.6Paruch et al., Phys. Rev. B 85, 214115 (2012)

Paruch et al., Phys. Rev. Lett. 94, 197601 (2005)

vacío

condiciones ambiente


40 paredesde dominios Gaussianas

?

DESORDEN Y CONDICIONES AMBIENTALES


5 μm

4.8 μm

SrTiO3 (+ des.)

DyScO3 (- des.)

condicionesambiente

ultra-alto-vacío

desorden apantallamientodipolar


STO UHV STO amb DSO UHV DSO amb


- des.+ temp


STO UHV

STO amb

DSO UHV

DSO amb



STO UHV

STO amb

DSO UHV

DSO amb

UHV: no hay H2Oel efecto dipolar es más efectivo?



modelo Phi4


CONCLUSIONES


Distribución Gaussianamono-afinidad

Promediar adecuadamente

ζavg

= 0.57 equilibrio

importancia de efectosdipolares en UHVexponente?

la geometría contieneinformación importante

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