Visualizing Ferroelectric Domain Structures in ErMnO3 and Pb5Ge3O11 by Electron Microscopy
Master thesis
View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for fysikk [2701]
Abstract
Ferroelektriske domenevegger har nylig tiltrukket økende oppmerksomhet som nye kandidater for funksjonelle 2D-systemer. Disse atomskarpe grensesnittene som kan flyttes,opprettes og fjernes med elektriske felt, kan brukes til å lage elektroniske enheter meden fleksibilitet som ikke finnes i andre materialer. For mange multiferroiske materialerer imidlertid mye av den underliggende fysikken til ladede domenevegger fortsatt ukjentsom begrenser potensialet for å utvikle enheter. Fullstendig undersøkelser av domenevegger krever en romlig oppløsning i en rekkevidde fra over mesoskopisk til mindre enn nanoskopisk som transmisjonselektronmikroskopet (TEM) dekker. Domenestrukturene gir imidlertid ikke en dominerende bildekontrast, så spesialiserte teknikker er nødvendig for å visualisere dem. Selv med disse teknikkene, er kontrasten lett å misforstå og samsvare høyoppløsningsresultater fra TEM med andre teknikker som sveipelektronmikroskopet (SEM) kan være svært fordelaktig. I denne oppgaven har både SEM ogTEM blitt anvendt for å undersøke teknikker og rutiner for å studere de ferroelektriskedomenestrukturer av ErMnO3 og Pb5Ge3O11.
Prøver fra begge materialer prepareres for første 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 å gi en oversikt over domenevegger langs den store kanten. Domener er observert å bare være synlige over en kritisk tykkelse på 427 nm i ErMnO3. Et to-trinns preparering ble utviklet, hvor først en ble brukt til å ta oversiktsbilder på en prøve over kritisktykkelse. Forsiktig Ar-ioneetsing ble deretter gjort for TEM-analyse av områdene kartlagt av SEM. For ErMnO3 er 002 refleksjonen funnet gjennom simuleringer til å være det beste valget for mørkefelt bilder. Stativpolering innførte imidlertid for mange defekter for å finne domenevegger ved bruk av mørkefelt bilder. Prøvene var fortsatt anvendbare for høy kvalitets atom avbildning med høyoppløselig TEM og sveip transmisjonselektronmikroskopi (STEM). Polariseringen ble funnet i en perfekt pulverprøve ved bruk aven ringformet detektor i mørkefelt STEM ved å ta en serie bilder med rekonstruksjon i et ikke-korrigert STEM. Pb5Ge3O11 stativpolerte prøver var derimot fri for induserte defekter, men overflaten ble skadet i stedet. Elektronmikroskopstudier av stativpolerte prøver lider sterkt av oppladningseffekter og stråleskader. De amorfiserte raskt med en kritisk dose på 0.64 C/cm^2 (3.99 ∗ 10^2 e/Å^2) per nanometer i STEM-modus. I TEM modus dekomponerer materialet til Pb-partikler med en kritisk dose på 5.78 ×10^3 C/cm^2 (3.61 ∗ 10^6 e/Å^2).
Angående de ferroelektriske domenene til Pb5Ge3O11, ble de funnet å bli lett omskrevet under avbildning i SEM, selv med en lav elektronstrøm (≤0.1 nA) og spenning (≤5 keV). Både tykkelse og geometri spiller en rolle, hvor tynnere områder og skarpe kanter er de mest sårbare for å bli omskrevet av elektronstrålen. På grunn av oppladningseffekter var kantene spesielt utfordrende for avbildning, så rutinen med å samsvareTEM og SEM på samme lokasjon i prøven kunne ikke brukes for å studere domenestrukturen. I stedet ble SEM brukt til tykkere deler av de stativpolerte prøvene og TEM på den tynne kanten. For Pb5Ge3O11 ble 003-refleksjonen funnet gjennom simuleringer til å være det ideelle valget for mørkefelt bilder, og flere grensesnitt som ligner på domenemurer ble studert. Konvergerende elektron diffraksjon ble brukt til å finne polarisering lokalt i en pulverprøve, men kunne ikke brukes på stativpolerte prøver på grunn avoppladningseffekter. Resultatene av dette studiet identifiserer grensene for avbildning av atomstrukturen i domenevegger i Pb5Ge3O11, som aldri har blitt oppnådd, men er essensielt for videre undersøkelser av de grunnleggende egenskapene av de fascinerende domeneveggene. Ferroelectric domain walls have attracted increasing attention as novel candidates forfunctional 2D systems just recently. These atomically sharp interfaces that can be moved,created and removed with electric fields, possess a flexibility in creating electronic devicesnot obtainable with other materials. However, for many multiferroic materials much ofthe underlying physics of charged domain walls is still unknown which limits the potentialfor developing devices. Complete investigations into the domain walls requires a spatialresolution range above mesoscopic to sub-nanoscopic which the transmission electronmicroscope (TEM) covers. However, the domain structures fails to give a dominantimage contrast in conventional imaging, so specialized techniques are needed to visualizethem. Even with these techniques, the contrast is easily misinterpreted and correlatingthe high resolution results of the TEM with other techniques such as the scanningelectron microscope (SEM) can be highly advantageous. In this thesis, both SEM andTEM have been applied to investigate techniques and routines to study the ferroelectricdomain structures of ErMnO3 and Pb5Ge3O11.
Specimens from both materials are prepared for the first time by mechanical tripodpolishing, creating a large (> 1 mm) electron transparent edge without an amorphouslayer or potential damage from ions commonly used in the thinning process. The SEM isused to give an overview on the domain walls along the large edge. Domains are found toonly be visible above a critical thickness of 427 nm in ErMnO3. A two step preparationwas developed, where first SEM domain imaging was applied for a specimen above thecritical thickness. Gentle Ar ion milling was thereafter done for TEM analysis of areasmapped by SEM. For ErMnO3, the 002 reflection is found through simulations to be thebest choice for dark-field (DF) imaging. Tripod polishing however introduced to manydefects to find domain walls using DF. The specimens were still usable for high-qualitylattice imaging with high resolution TEM and scanning transmission electron microscopy(STEM). Polarization was found in a perfect powder specimen using high-resolutionhigh-angle annular DF (HAADF) STEM using serial acquisition and reconstruction inan uncorrected STEM. The Pb5Ge3O11 tripod specimens on the other hand were free ofinduced defects, but the surface was damaged instead. Electron microscope studies oftripod specimens suffer severely from charging effects and electron beam damage. Theyamorphized quickly with a critical dose of 0.64 C/cm^2 (3.99 ∗ 10^2 e/Å^2) per nanometer inSTEM mode. In TEM mode the material would decompose into Pb particles at a criticaldose of 5.78 ×10^3 C/cm2 (3.61 ∗ 10^6 e/Å^2).
Regarding the ferroelectric domains of Pb5Ge3O11, they were found to be easilyrewritten during imaging in SEM, even at low currents (≤0.1 nA) and voltages (≤5keV). Both thickness and geometry play a role, where thinner regions and sharp edgesare the most vulnerable to being rewritten by the electron beam. Due to chargingeffects the edges were especially challenging to image, so the correlated routine usingboth TEM and SEM at the same location could not be applied to study the domainstructure. Instead the SEM was used for the thicker parts of the tripod wedge and TEMon the thin edge. For Pb5Ge3O11, the 003 reflection was found through simulations to beideal choice for DF imaging, and several features resembling domain walls were studiedusing conventional DF TEM. Convergent beam electron diffraction was used to findpolarization locally in a powder specimen, but could not be used on tripod specimensdue to charging effects. The results of this study identify the boundaries for latticeimaging of domain walls in Pb5Ge3O11 which is never achieved yet, but lattice imagingis essential for further investigations into the fundamental properties of these intriguingstructural features.