Structural domains in thin films of ferroelectrics and multiferroics Venkatesan, Sriram

Transcriptie

1 University of Groningen Structural domains in thin films of ferroelectrics and multiferroics Venkatesan, Sriram IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2010 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Venkatesan, S. (2010). Structural domains in thin films of ferroelectrics and multiferroics Groningen: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 SAMENVATTING Dit proefschrift concentreert zich op de structuur en de vorming van domeinen in ferroelektrische (PbTiO 3 ) en multiferroische (TbMnO 3 ) dunne films als functie van de epitaxiale spanning die haar oorspong vindt in het verschil in roosterparameter tussen film en substraat. PbTiO 3 dunne films werd gekozen als modelsysteem omdat het een goed onderzocht ferroelektrische systeem is met een perovskiet structuur, waarbij gedefinieerde kristalvlakken met zuurstof en lood afgewisseld worden door dezelfde vlakken met zuurstof en titaan. Een speciale vlakbezetting (e.g. Pb x Sr 1-x TiO 3 ) kan worden ingezet bij meer of minder drukspanning, maar ook de keuze van een net niet precies passend substraat behoort tot de mogelijkheden. Het kubische (001)-SrTiO 3 werd een voor de hand liggende eerste keuze als substraat omdat het een klein verschil in drukspanning vertoont in roosterparameter met epitaxiaal gegroeide PbTiO 3 dunne film by kramer temperature. Verder is gekeken naar DyScO 3, dat een vrijwel identieke pseudokubische roosterparameter heeft vlak boven Tc = 490 C. Dit substaat is meestal voorzien van een 20 nm dikke SrRuO 3 film als elektrode buffer laag. In hoofdstuk 3 wordt de groei en karakterisering van c -as georiënteerd ferroelektrisch PbTiO 3 lagen op SrTiO 3 besproken. Aangetoond wordt dat in plaats van paraelektrisch PbTiO 3, c -as georiënteerd, ferroelektrisch PbTiO 3 met een dikte tot 340 nm rechtstreeks gegroeid kan worden op een (001)-SrTiO 3 substraat met behulp van gepulste laser depositie bij een temperatuur ruim boven de Curie temperatuur van bulk PbTiO 3. De invloed van de laser pulsfrequentie en de oriëntatie van het substraatoppervlak behandeling relatie op de groei en functionele eigenschappen werden bestudeerd met behulp van Röntgen diffractie, transmissie elektronen microscopie, en piezorespons punt kontactmicroscopie. Bij lage groeisnelheid ( laser puls frequenties <5 Hz) vormen de films altijd een monodomein. Echter, bij hogere groeisnelheden (frequenties 8 Hz) worden a -domeinen gevormd voor laagdikte boven de 20 nm. Door inwendige spanningen kan de Curie temperatuur (Tc) van het monodomein toenemen tot ongeveer 350 C boven de Tc van bulk PbTiO 3, zelfs tot 280 nm dikke 111

3 films. Tot nu toe werd dit type groei onwaarschijnlijk geacht omdat het Matthews- Blakeslee (MB) model al spanningsrelaxatie voorspelt voor films met een dikte van slechts 10 nm. Echter, de huidige resultaten trekken de toepasbaarheid van het MB-model voor dit systeem in twijfel en we dragen fysieke redenen aan voor de grote toename van T c in het geval van dikke films. Bovendien kan worden aangetoond dat de huidige experimentele resultaten overeenstemmen met voorspellingen die voortvloeien uit het monodomein model van Pertsev et al. (zie referentie [7], in hoofdstuk 2). In hoofdstuk 4 staan de a -domeinen in PbTiO 3 dunne films centraal, zoals respectievelijk SrTiO 3 en DyScO 3 substraten. De ontwikkeling van a -domeinen in PbTiO 3 dunne films als gevolg van spanningsrelaxatie was al eerder bekend. De invloed van verschillende substraten op de vorm van deze a -domeinen werd niet eerder onderzocht. Met hoge-resolutie transmissie elektronen microscopie werd een 90 -domein structuur gevolgd. De films blijken een meerderheidsfractie aan c -domeinen te bevatten naast een kleinere volumefractie aan a -domeinen welke echter duidelijk hoger uitvalt in het geval van DyScO 3. In PbTiO 3 op SrTiO 3 blijken de a -domein en een wigvormte niet loodrecht op het grensvlak te staan, terwijl dat in het geval van PbTiO 3 op SrRuO 3 /DyScO 3 deze domeinen een bijna uniforme breedte. De aanwezigheid van stappen in de domeinwanden is waargenomen in films gegroeid op beide ondergronden, maar de stappen zijn duidelijk meer dominant in het geval van SrTiO 3 dan in het geval van SrRuO 3 /DyScO 3 en zijn verantwoordelijk voor de waargenomen wigvorm. Het verschil in de films geïnduceerd door de twee substraten wordt toegeschreven aan een hogere stijfheid van SrTiO 3 ten opzichte van SrRuO 3 /DyScO 3 zoals we hebben kunnen aantonen met nano-indentatie experimenten. In hoofdstuk 5 staat de ontwikkeling beschreven van nano domeinstructuren waargenomen in epitaxiale dunne films van multiferroisch TbMnO 3 gegroeid op SrTiO 3 substraten. Dunne films met een dikte variërend tussen 2 en 140 nm zijn gegroeid bij een partiële zuurstof druk van 0,25 en 0,9 mbar. Transmissie elektronen microscopie werd toegepast om de domeinevolutie te volgen. Een overgang van een volledig coherente, maar spanningsvolle, tetragonale film naar een gedeeltelijk gerelaxeerde, maar vervormde, orthorhombische structuur vindt plaats via tweelingvorming, welke aanleiding geeft tot vier verschillende domein oriëntaties. Bij grotere diktes vindt een 112

4 overgang plaats naar een volledig gerelaxeerde orthorhombische structuur via veranderingen in de domein-substraat oriëntatie-relaties en leidt tot slechts twee domeinvarianten. Verschillen zijn waargenomen in het spaningsrelaxatie gedrag voor films gegroeid onder verschillende zuurstofdrukken. Al deze observaties dragen bij tot een beter begrip van de evolutie van de domein structuren en kunnen de gemeten orthorhombische vervorming nauwkeuriger verklaren. Ten slotte, dit mechanisme kan worden gegeneraliseerd voor (001)-georiënteerde orthorhombische perovskieten gegroeid op kubische substraten met een aanzienlijk grotere mispassing. 113

5 114