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Wechselwirkung ferroelektrischer Domänenwände mit geladenen und ungeladenen Defekten

Utschig, Thomas :
Wechselwirkung ferroelektrischer Domänenwände mit geladenen und ungeladenen Defekten.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Wechselwirkung ferroelektrischer Domänenwände mit geladenen und ungeladenen Defekten
Language: German
Abstract:

Die Wechselwirkungen ferroelektrischer Domänenwände (DW) mit mechanischen und elektrischen Defekten auf unterschiedlichen Längenskalen standen im Zentrum des Interesses. Die beiden Materialsysteme Gadolinium-Molybdat (GMO) und Lithium-Niobat (LN) waren für die durchgeführten elektrischen Schaltexperimente gut geeignet. Vor allem GMO ist ein typisches Modellsystem und für grundlagenwissenschaftliche Untersuchungen bestens geeignet, da hier einzelne DW erzeugt werden können, deren eindimensionale Bewegung sich leicht analysieren läßt. Für einachsige ferroelektrische Kristalle wurde gezeigt, daß diese trotz potentieller vollständiger Kompensation durch die Elektroden altern und entaltern. Damit ist die Existenz einer dielektrischen Schicht zwischen dem ferroelektrischen Material und den Elektroden nachgewiesen. Für die DW-geschwindigkeit in GMO wurde gezeigt, daß diese vom Alterungszustand abhängt und mit fortschreitender Entalterung ansteigt. Es handelt sich somit um eine triebkraftabhängige Geschwindigkeit. Dadurch wird belegt, daß in GMO innere Felder vorhanden sind, deren Größe den Alterungszustand bestimmen. In GMO wurden durch Laserablation zwei Arten künstlicher Defekte erzeugt. Zum einen wurden Löcher in die obere Elektrode eingebracht, um elektrische Defekte zu erhalten, zum anderen wurden seitlich in den Kristall Löcher eingebracht, die in erster Näherung nur mechanisch mit einer Domänenwand wechselwirken. Für mechanische Defekte wurde eine kleine Wechselwirkung mit der DW festgestellt, für elektrische Defekte eine starke, die mit zunehmender Defektgröße tendenziell zunimmt. Diese Feststellungen basieren auf Messungen der DW-Kinetik durch akustische Emissionen (AE) und ferroelektrische Barkhausen-Pulse (BHP) und wurden durch digitale Videoaufzeichnungen ergänzt. Die Ergebnisse stimmen qualitativ sehr gut mit Finite-Elemente-Modellierungen (FEM) der beiden Defekttypen in GMO überein. In LN werden durch das wesentlich kompliziertere Schalten durch zweidimensionale DW-Bewegungen bedeutend höhere AE-Amplituden beobachtet, auch die Anzahl der Ereignisse ist viel größer. Durch das Erzeugen feldreduzierender Defekte wurde das Schalten der Kristalle in diesem Defektbereich zu höheren Feldstärken verschoben. Somit ist aufgrund des reziproken piezoelektrischen Effekts die Dehnungskompatibilität des umgebenden Materials mit dem Material im Defektbereich nicht mehr gegeben und die AE-Amplituden wachsen signifikant für dieses Schalten bei hohen externen Feldern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The focus of this work is on the interaction of ferroelectric domain walls (DWs) with mechanical and electrical defects on different length scales. The two materials gadolinium-molybdate (GMO) and lithium-niobate (LN) were applicable for the electrical switching experiments. GMO is a typical model-system used for basic research due to the possibility to create single DWs whose one-dimensional motion is easy to analyze. It was shown that uni-axial ferroelectric crystals age and de-age despite potentially complete compensation through the electrodes. This proves the existence of a dielectric gap between the ferroelectric material and the electrode. The DW-velocity in GMO was shown to be dependent on the level of aging and it increases with decreasing aging level. Therefore the velocity depends on the driving force, which shows the existence of inner fields in GMO whose magnitudes determine the aging level. Two kinds of defects were generated in GMO by means of laser-ablation. To obtain electrical defects, holes in the upper electrodes were introduced. Holes in the side of a crystal were interacting in a first approximation only mechanically with the DW. For the latter a weak interation was found, for the former a much stronger one, whose magnitude increases with the defect size. These conclusions are based on measurements of the DW-kinetics with acoustic emissions (AE) and ferroelectric Barkhausen-pulses (BHP) and were complemented by digital video-recordings. The results are in a qualitatively very good agreement with finite-element-modelings of the two types of defects. In LN the switching is more complicated because of two-dimensional DW-motions. The AE-amplitudes are much higher and a greater number of events occur. By introduction of field-reducing defects, the switching in these defected parts of the crystals was shifted to higher fields. An incompatibility of strain with the surrounding material occurs through the inverse piezoelectric effect and the AE-amplitudes increase significantly for this kind of switching at high external fields.English
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000550
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5500
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Rödel, Prof. Dr.- Jürgen and von Seggern, Prof. Dr.- Heinz
Advisors: Lupascu, PD Dr. rer Doru Constantin
Refereed: 5 April 2005
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/550
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