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Phase field modeling of ferroelectrics with point defects

Zuo, Yinan :
Phase field modeling of ferroelectrics with point defects.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Phase field modeling of ferroelectrics with point defects
Language: English
Abstract:

The ferroelectrics which possess switchable polarization below the Curie temperature can be applied as actuators and memory storage devices. Oxygen vacancies are commonly present in perovskite ferroelectrics. Besides that, in order to enhance certain properties, perovskite ferroelectrics are doped with foreign atoms (e.g. iron, copper, manganese, etc) which again results in the appearance of certain kinds of point defects. In this thesis, the model has been set up to investigate those two effects: a model that incorporates the ferroelectric and semiconducting feature of ferroelectric perovskites at the same time and a model taking the internal bias field due to the defect dipole into account. The phase field model is derived in a thermodynamically consistent way. The phase field modeling was numerically realized by finite element method using FEAP. Since the domain structure evolution is certain change in the reference configuration, one is interested in the driving force or tendency of such change by making use of the concept configurational force from Eshelby. The semiconducting feature of ferroelectrics with point defects was studied. The role of donors and electronic charge carriers in the domain structure stabilization was studied in a quantitative way. By accounting for semiconducting properties of barium titanate, the appearance of depletion layers near the electrodes was predicted. The stabilization of the head-to-head and tail-to-tail domain structures through the space charge was also demonstrated. As an indication of the stability, the driving force on the domain wall in the ead-to-head domain structure was quantitatively investigated. The effects of an applied electric field and space charge compensation on the driving force and the driving moment were discussed, as well as the influence of the domain wall orientation. The study of the domain wall conductivity has shown that in both the simplified and the realistic defect systems in barium titanate, different domain configurations may be stabilized by the space charge which screens the bound charge. The phase field modeling of ferroelectrics with static defect dipole is developed and computation is conducted in order to study the dipole effect of oxygen vacancies on the different domain structures. The numerical simulations demonstrate that the internal bias electric field caused by the oxygen vacancies does play a notable role in modifying the overall domain switching behavior of ferroelectric single crystals. The domain memory effect, in which the zero overall polarization and the initial domain patterns are recovered after electric unloading and thus the double hysteresis loops take place, are well reproduced in the modeling. A kinetic model is derived that enables investigation of the time evolution of defect dipoles in the presence of electric fields in PZT. The simulation shows that after each switching of spontaneous polarization, the migration of oxygen vacancies also change their migration direction due to the change of energy landscape. For a initially aged material in which the defect dipoles formed by Cu-substitutes and oxygen vacancies are coaligned with the spontaneous polarization, the simulations show that, after sufficient loading cycles, the sample can be deaged in the sense of defect dipole reorientation. Studying this problem will give a good perspective and understanding of the evolution of fatigue and aging in ferroelectrics.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ferroelektrika, die umschaltbare Polarisation unterhalb der Curie-Temperatur besitzen, können als Aktoren und Speichergeräte eingesetzt werden. Sauerstoff-Leerstellen sind üblicherweise in Perovskit-Ferroelektrika vorhanden. Außerdem sind Perovskitferroelektrika um bestimmte Eigenschaften zu verbessern mit Fremdatomen (z. B. Eisen, Kupfer, Mangan usw.) dotiert, was wiederum das Auftreten bestimmter Arten von Punktdefekten zur Folge hat. In dieser Arbeit wird das Modell entwickelt, um diese beiden Effekte zu untersuchen: ein Modell, das das ferroelektrische und halbleitende Merkmal der ferroelektrischen Perowskite beinhaltet und ein Modell, das das interne Biasfeld aufgrund des Defektdipols berücksichtigt. Das Phasenfeldmodell wird thermodynamisch konsistent hergeleitet und wird numerisch durch die Finite-Elemente-Methode unter Verwendung von FEAP realisiert. Da die Entwicklung der Domänenstruktur eine gewisse Veränderung in der Referenzkonfiguration darstellt, interessiert man sich für die treibende Kraft oder Tendenz einer solchen Veränderung, indem die Konzeptkonfigurationskraft nach Eshelby genutzt wird. Das halbleitende Merkmal der Ferroelektrika mit Punktdefekten wird untersucht. Die Rolle von Donoren und elektronischen Ladungsträgern in der Domänenstrukturstabilisierung wird quantitativ untersucht. Unter Berücksichtigung der halbleitenden Eigenschaften von Bariumtitanat wird das Auftreten von Verarmungsschichten nahe den Elektroden vorhergesagt. Die Stabilisierung der Head-to-Head- und Tail-to-Tail-Domänenstrukturen durch die Raumladung wird ebenfalls demonstriert. Als Indikator für die Stabilität wird die treibende Kraft auf die Domänenwand in der Head-to-Head-Domänenstruktur quantitativ untersucht. Die Auswirkungen eines angelegten elektrischen Feldes und der Raumladungskompensation auf die Antriebskraft und das Antriebsmoment und der Einfluss der Domänenwandorientierung werden ebenso diskutiert. Die Untersuchung der Domänenwandleitfähigkeit hat gezeigt, dass sowohl in den vereinfachten als auch in den realistischen Defektsystemen in Bariumtitanat unterschiedliche Domänenkonfigurationen durch die Raumladung, die die gebundene Ladung abschirmt, stabilisiert werden können. Die Phasenfeldmodellierung von Ferroelektrika mit statischem Defektdipol werden entwickelt und Berechnungen werden durchgeführt, um den Dipoleffekt von Sauerstoffleerstellen auf den verschiedenen Domänenstrukturen zu untersuchen. Die numerischen Simulationen zeigen, dass das interne elektrische feld, das durch die Sauerstoffleerstellen verursacht wird, eine bemerkenswerte Rolle bei der Modifizierung des gesamten Domänenumschaltungs- verhaltens von ferroelektrischen Einkristallen spielt. Der Domänengedächtniseffekt, bei dem die Nullpolarisation und die Anfangsdomänenmuster nach der elektrischen Entladung wiedergewonnen werden und somit die doppelten Hystereseschleifen stattfinden, werden bei der Modellierung gut reproduziert. Es wird ein kinetisches Modell abgeleitet, das die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Defektdipolen in Gegenwart von elektrischen Feldern in PZT ermöglicht. Die Simulation zeigt, dass nach jedem Umschalten der spontanen Polarisation durch die Veränderung der Energielandschaft auch die Migration von Sauerstoffleerstellen ihre Migrationsrichtung ändert. Für ein anfänglich gealtertes Material, in dem die Defektdipole, die durch Cu-Substituenten und Sauerstoffleerstellen gebildet werden und mit der spontanen Polarisation ausgerichtet sind, zeigen die Simulationen, dass nach ausreichend Belastungszyklen die Probe im Sinne einer Defekt-Dipol-Umorientierung verjüngert werden kann.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Phase field modeling; Ferroelectrics; Point defects; Semiconducting feature; Defect dipoles
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Mechanics of functional Materials
Date Deposited: 19 Dec 2016 11:02
Last Modified: 19 Dec 2016 11:02
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58251
Referees: Xu, Prof. Dr. Bai-Xiang and Genenko, Prof. Dr. Yuri
Refereed: 15 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5825
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