PROCESSING AND PROPERTY ENGINEERING OF DOMAINS AND DOMAIN WALLS IN HEXAGONAL MANGANITES

Abstract

Topologisk beskyttede objekter har vakt oppmerksomhet innen mange forskningsom- råder. Fra kvantebiter til skyrmioner, fra superflytende helium til det tidlige universet, topologi spiller en avgjørende rolle. Det er ikke alltid lett å produsere eller karakteris- ere de ønskede defektene og ofte kreves det helt spesielle forhold. Ikke så i sekskantet ErMnO3, som vises en ferroelektrisk domenestruktur ved romtemperatur, som av natur inneholder en dimensjonale topologiske defekter, såkalte virvelkjerner. ErMnO3 har en Curie-temperatur av TC = 1156°C, som gjør det mulig å studere faseovergangen fra paraelektrisk til ferroelektrisk fase og derfor dannelsen av virvelkjernene i laborato- riet. Dette gir sjansen til å studere Kibble-Zurek-mekanismen, som forutsier at antall virvelkjerner som kan finnes i materialet avhenger av kjølehastigheten der den går over TC . Målet med denne oppgaven er å undersøke påvirkningen av begrenset system- størrelse på for- mating av topologiske defekter i henhold til Kibble-Zurek-mekanismen ved hjelp av en kjølehastighetseksperiment ved bruk av polykrystallinsk ErMnO3. For dette eksperimentet fire prøver varmes opp til 1472 °C og avkjøles over TC med forskjel- lige kjølehastigheter, dvs. 10−2 K/min, 10−1 K/min, 100 K/min og 101 K/min. Anal- ysen av domenestrukturen viser at ikke bare virvellignende domener er tilstede i de enkelte kornene, men også stripe- som domener. Det foreslås at disse stripelignende domenene er forårsaket av intergranulære tøyningsfelt, som samhandler med virvelk- jernene. Ikke desto mindre en økning i virvel tetthet med økende kjølehastighet kan bli funnet som ikke kan forklares med belastning felt og antas derfor å stamme fra Kibble- Zurek-mekanismen. The Kibble- Zurek-eksponenten er betydelig senket fra K = 0.49 i enkeltkrystallen til K = 0.13 i polykrystallen. Denne endringen kan tilskrives effek- ter som ikke er til stede i single krystaller, som stammefelt, korngrenser og begrenset systemstørrelse.

Topologically protected objects have drawn attention in many research areas. From quantum bits to skyrmions, from superfluid helium to the early universe, topology plays a crucial role. It is not always easy to produce or characterize the desired defects and often very special conditions are required. Not so in hexagonal ErMnO3, which displays a ferroelectric domain structure at room temperature, which by nature contains one dimensional topological defects, so called vortex cores. ErMnO3 has a Curie temperature of TC = 1156°C, which allows to study the phase transition from the paraelectric to the ferroelectric phase and therefore the formation of the vortex cores in the laboratory. This gives the chance to study the Kibble-Zurek mechanism, which predicts that the number of vortex cores that can be found in the material depends on the cooling rate at which it transitions TC . The goal of this thesis is to investigate the influence of limited system size on the for- mation of topological defects according to the Kibble-Zurek mechanism by means of a cooling rate experiment using polycrystalline ErMnO3. For this experiment four samples are heated to 1472 °C and cooled over TC with different cooling rates, i.e. 10−2 K/min, 10−1 K/min, 100 K/min and 101 K/min. The analysis of the domain structure shows that not only vortex-like domains are present in the individual grains, but also stripe- like domains. It is proposed, that those stripe-like domains are caused by intergranular strain fields, which interact with the vortex cores. Nonetheless an increase in vortex density with increasing cooling rate can be found that can not be explained by strain fields and is therefore assumed to originate in the Kibble-Zurek mechanism. The Kibble- Zurek exponent is significantly lowered from K = 0.49 in the single crystal to K = 0.13 in the polycrystal. This change can be attributed to effects that are not present in single crystals, such as strain fields, grain boundaries and limited system size.