Nano-Engineering for Functional Ferroelectric Domain Walls
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3152305Utgivelsesdato
2024Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
I over eit tiår har ferroelektriske domenveggar fått stor merksemd i søketetter nyskapande system for framtidig nanoteknologi grunna i dei unikeeigenskapane som oppstår i slike avgrensa område. Særleg er den lokaleleieevna i domenveggane av spesiell interesse, då ho har vist seg å kunneoverstige den i det omliggjande materialet med fleire storleiksordenar. I deiuekte ferroelektriske heksagonale manganittane (RMnO₃, R = Sc, Y, In, Dy-Lu)samsvarar leieevna i formelt nøytrale domenveggar med oksygenustøkiometrientil systemet, og kan aukast ved gløding i reduserande atmosfærar, som til dømesnitrogengass.
Denne masteroppgåva undersøkjer denne glødeprosessen med Er(Mn, Ti)O₃som modellsystem ved å systematisk variere den gjeldande glødetemperaturenog -tida. Leiande atomærkraftmikroskopi (cAFM) er nytta for å analysere bådeumiddelbare og langvarige effektar av gløding. Ein kritisk glødetemperaturfor å framkalle leiande domenveggar vart identifisert til å liggje mellom 200 °Cog 300 °C. Avanserte glødeeksperiment viste at augeblinken materialet kjem ikontakt med oksygenhaldig luft er avgjerande for å fremje leiande domenveggar,noko som tyder på at leieevna kjem fram i takt med gjenoksidering lokalt idomeneveggane.
I tillegg rapporterer eg observasjonen av nanoskala bobledomene i Er(Mn, Ti)O₃,som dannar seg når materialet polar seg sjølv frå ein gradient i konsentrasjonenav ladningar. Desse bobledomena kan samanliknast med polare skyrmion iekte ferroelektrika, og er metastabile og manipulerbare med eksterne elektriskefelt. Ved å samanlikne område med og utan påverknad frå eksterne feltviser eg ein memristiv åtferd i bobledomena, der den romlege utstrekninga ogtidsperspektivet til feltet er registrert i tettleiken av bobledomene. Forløysningaav desse bobledomena understrekar mobiliteten til oksygeninterstitialar iheksagonale manganittar, og støttar føregåande teoretiske utrekningar om aukadefektstabilitet i nøytrale domenveggar.
Resultata gjev nytt innsyn i dei underliggjande mikroskopiske mekanismane bakelektrisk leiing i domenveggane, og utgjer ein del av ein omfattande rekkje forsk-ingsprosjekt for å finne detaljerte retningslinjer for utforming av funksjonelleeigenskapar for vidare utvikling av domenveggbasert nanoteknologi. For over a decade, ferroelectric domain walls have attracted substantial attentionand played a key role in the search for innovative systems for future nanotech-nology, motivated by the unique properties that arise in such confined areas.Particularly, the local conductance at the domain walls is of special interest, asit has shown that it can exceed that of the surrounding bulk by several ordersof magnitude. In the improper ferroelectric hexagonal manganites (RMnO₃,R = Sc, Y, In, Dy-Lu), the conductance in nominally neutral domain wallscorrelates with the oxygen off-stoichiometry of the system, and can be enhancedby annealing in a reductive atmosphere, e.g. N₂ gas.
This master’s thesis investigates this annealing process, using Er(Mn, Ti)O₃ as amodel system, by systematically varying the annealing temperature and dwelltime. Conductive atomic force microscopy (cAFM) was used to monitor bothimmediate and long-term effects of annealing. A critical annealing temperaturewas identified in the range between 200 °C and 300 °C required for conductivedomain walls to develop. Advanced annealing experiments revealed the re-exposition to ambient air to be a crucial point in the development of domainwall conductance, indicating that the conductance emerges together with alocal reoxidation at the domain walls.
Additionally, I report the observation of nanoscale bubble domains in Er(Mn,Ti)O₃,which form during self-poling of the polarization due to a charge concentrationgradient. These bubble domains present similarities to polar skyrmions inproper ferroelectrics and are metastable and manipulable by electric fields.Comparing regions subjected to external electric fields to unaffected regionsreveals a memristive behavior of the bubble domains, where the spatial extentand time perspective of the applied electric fields is recorded in the densityof bubble domains. The disappearance of bubble domains highlights the mo-bility of oxygen interstitials in hexagonal manganites, corroborating previoustheoretical predictions of defect stability within neutral domain walls.
The results provide new insights into the microscopic mechanisms of thedomain wall conductance and will constitute a part of an intricate line ofresearch to give detailed guidelines for property engineering for the furtherdevelopment of domain wall nanotechnology.