Domain Engineering in Polycrystalline ErMnO3 Using Strain- and Electrical Fields

Abstract

Utforming av ferroelektriske domener er avgjørende for å bruke ferroelektriske materialer som elektroniske komponenter, eksempelvis kondensatorer, sensorer og transdusere. For tiden kan ferroelektriske domener kontrolleres gjennom kjemisk doping, mikrokonstruksjon og ved å bruke elektriske felt. Likevel har metodene varierende resultater basert på materialet, og mekanismene bak er ikke fullstendig forstått. Målet med denne oppgaven er å undersøke to parametere; virkningen av påført mekanisk trykk og virkningen av elektriske felt på den ferroelektriske domenestrukturen til polykrystallinsk ErMnO3. Den første delen av målet ble oppnådd ved å gløde tre prøver under forskjellige belastninger, 0MPa, 24MPa, 47MPa, og deretter inspisere mikro- og nanostrukturen både i planet og ut av planet ved bruk av piezorespons kraftmikroskopi og elektron baksprednings diffraksjon. Den andre delen av målet ble oppnådd ved å undersøke en polykrystallinsk ErMnO3 prøve uten termomekanisk behandling med vekslingsspektroskopi piezorespons kraftmikroskopi. Eksperimentene viste at de høyere belastningene resulterte i flere og smalere stripete domener og en ny domenestruktur referert til som "revnede domener". Videre ble det bestemt at orienteringen av kornene hadde en betydelig innvirkning på dannelsen av domenene, og at intergranulære spenninger også spiller en rolle. Effekten av elektriske felt var derimot liten i det undersøkte området. De elektriske feltene påført den polykrystallinske prøven resulterte ikke i polarisasjonsreversering, og det ble heller ikke oppdaget noen klar domeneveggbevegelse. Basert på resultatene, konkluderes det med at det beste alternativet for å kontrollere domenestrukturen i ErMnO3 er ved å utnytte stress. Fremtidig arbeid bør fokusere på å øke forståelsen av de lokale tøyningene i den polykrystallinske prøven og deres effekt på domenestrukturen. Dette kan gjøres ved å bruke endelige element-simuleringer som kan simulere tøyningene som oppstår i korn på grunn av nabokorn samt orienteringen til kornene. En annen spennende vei videre ville vært å undersøke de revnede domenene med aberrasjonskorrigert høyvinklet ringformet-mørkefelt-avbildning for å få innsikt i mekanismen som er ansvarlig for dannelsen deres. Forskningen som presenteres i denne masteroppgaven er en del av et større søk etter nye metoder for å utforme ferroelektriske domener for økt kontroll av de ferroelektriske egenskapene. Dette bidrar ikke bare til forbedring av komponenter som er avhengige av ferroelektriske materialer, eksempelvis kondensatorer, sensorer og transdusere, men også til grunnforskning innen fysikk.

Engineering of ferroelectric domains is crucial for utilizing ferroelectric materials as electronic components such as capacitors, sensors, and transducers. At present, ferroelectric domains can be controlled through chemical doping, microstructural engineering and by applying electric fields. Still, the techniques have varying results based on the model system, and the mechanisms often remain to be explored in detail. The aim of this thesis is to investigate two parameters; the impact of applied mechanical pressure and the impact of electric fields on the ferroelectric domain structure of polycrystalline ErMnO3. To accomplish the first part of the goal, three samples were annealed under different uniaxial pressures, 0MPa, 24MPa, and 47MPa. Then the micro- and nanostructure of both the in-plane and out-of-plane faces of the samples were inspected with piezoresponse force microscopy and electron backscatter diffraction. The second part of the goal was accomplished by examining a polycrystalline ErMnO3 sample without the thermomechanical treatment with switching spectroscopy piezoresponse force microscopy. The experiments demonstrated that the higher applied uniaxial pressures resulted in more and narrower striped domains and a new domain structure referred to as "ripped domains". Furthermore, it was found that the orientation of the grains had a significant impact on the formation of the domains, and that intergranular stresses also play a role. In contrast, the influence of electrical fields was found to be small in the investigated range. The electric fields applied to the polycrystalline sample did not result in polarization reversal, nor was any conclusive domain wall movement detected. Based on the results, it is concluded that the most viable option for controlling the domain structure in ErMnO3 is by utilizing stress. Future work should focus on improving the understanding of the local strain fields in the polycrystalline sample and their effect on the domain structures. This could be done by utilizing finite element simulations that can capture the strains induced by neighboring grains and the orientation of the grains. Another exciting path would be to probe the ripped domains with aberration-corrected high-angle annular-dark-field imaging to gain insight into the mechanism responsible for their formation. The research presented in this thesis is part of a larger search for new domain engineering strategies enabling greater control of ferroelectric properties. This contributes not only to the betterment of devices relying on ferroelectrics such as capacitors, sensors, and transducers, but also to the understanding of fundamental physics.