Domain structures in PbTiO3 thin films

Abstract

We have studied thin films (27 and 50 unit cells) of ferroelectric PbTiO3 by acquiring reciprocal space maps using wide-angle x-ray scattering. Diffuse satelites were found around the PbTiO3 Bragg peaks, consistent with a ferroelectric domain structure within the film. The satelites showed a shift towards higher wavevector transfers normal to the film plane.

We have developed a Markov chain based model to account for a random distribution of domain sizes in the film. The model is in good agreement with the experimental results. Using the model, we determined the distribution of the domain size in the films. The distributions are wide (full width athalf maximum the average domain size), and the most likely domainsize determined deviates up to 50% from the values estimated by previous methods.

An electric field was applied normal to the film surface. We observed a strong impact on the satelites, with tendencies of hysteretic behaviour as function of the applied field. As the fields used were weak (less than 0:1%of the coercive field), these changes cannot be explained by switching to a monodomain state.

Vi har studert tynne filmer (27 og 50 enhetsceller) av ferroelektrisk PbTiO3 gjennom tredimensjonale avbildninger i det resiproke rommet målt med vidvinkel røntgenspredning. Diffuse satelitter ble funnet rundt braggtoppenetil PbTiO3, i overenstemmelse med en ferroelektrisk domenestruktur i filmen.Satelittene var forskjøvet mot høyere momentoverføringer normalt til filmplanet.

Vi har utviklet en model basert på markovkjeder for å redegjøre for domenestørrelsenessannsynlighetsfordeling. Modellen er i god overenstemmelsemed de eksperimentelle resultatene. Ved bruk av modellen har vi funnet fordelingenav domenestørrelsene i filmene. Fordelingene er brede (halvverdibredde ≈ gjennomsnittlig domenestørrelse), og den mest sannsynlige domenestørrelsenbestemt med modellen avviker opptil 50% fra verdiene estimert medtidligere metoder.

Et elektrisk felt ble påtrykt normalt til filmens overflate. Feltet haddestor effekt på satelittene, med tendenser til hystereseoppførsel som funksjonav påtrykt felt. Siden feltene i eksperimentene var svake (mindre enn 0:1%av koersivt felt), kan ikke disse endringene forklares med overgang til en monodomenetilstand.