Phase transitions into multidomain states in ferroelectric thin films with depletion charges and partial electrode screening

Abstract

Bu çalışma (001) SrTiO3 altlıklar üzerinde büyütülmüş ve psödomorf metalelektrotlar arasına yerlestirilmiş (001) BaTiO3 ince filmlerin farklı kalınlıkları içinhomojen dağılımlı iyonlaşmış safsızlıkların varlığında ferroelektrik işlevsellik sınırınıgöstermektedir. Kalınlığın, tükemin yükü yoğunluğunun ve ölü tabakaların ferroelektrikfilmlerde domen oluşumunda ve faz geçiş sıcaklıklarındaki rolü Landau-Ginzburg-Devonshire fenomenolojik yaklaşımının elektrostatik denklemler ve sınır koşullarıylaberaber kullanılmasıyla incelendi. Ölü tabakanın ferroelektrik-elektrot arayüzündesınırlı perdeleme sebebiyle domen oluşumunu tetiklediği bilinmektedir. Polarizasyonyüklerinin tamamen denkleştirildiği ideal elektrotların varlığında, tükenim yüklerinin detestere dişlisi domenleri oluşturduğu gösterildi. Ölü tabakanın varlığında, orta yükyoğunlukları domen duvarlarının yüzey normaline göre az miktarda açılanmasıylasonuçlanırken yüksek yük yoğunlukları testere dişlisi domenleri kararlılaştırdı. Fazgeçiş sıcaklıklarının özellikle görece kalın filmlerde yük yoğunluklarıyla düştüğügözlemlendi. Daha ince filmlerdeyse bu düşüşün ihmal edilebilecek kadar az olduğu vedaha ince filmlerin ölü tabakalı yüksüz filmlerle aynı faz geçiş sıcaklıklarına sahipoldukları görüldü. Faz geçiş sıcaklığı ve domen periyodunun analitik yaklasımlaçözümü ile karşılaştırması bu çalışmada elde edilen nümerik sonuçları destekledi.Elektrik alan-polarizasyon simülasyonları yüksek yük yoğunluklarının histerezisin yokolmasına yol açtığını gösterdi ancak bu, ferroelektrik fazının yok olduğu anlamınagelmemektedir.

This study addresses the limit of ferroelectric functionality for (001) BaTiO3 thinfilms grown on (001) SrTiO3 substrates sandwiched between pseudomorphic metallicelectrodes having perfect and partial screening in the presence of homogeneouslydistributed ionized impurities for various film thicknesses. The role of thickness,depletion charge density and dead layers on domain formation and phase transitiontemperatures of ferroelectric films are investigated using the Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) phenomenological approach along with equations of electrostaticsand electrostatic boundary conditions. It is well known that dead layers due to finitescreening at the ferroelectric-electrode interfaces trigger electrical domain formation. Itis demonstrated that depletion charges in the presence of ideal electrodes wherepolarization charges are fully compensated can also induce a saw-tooth type domainstructure. In the presence of dead layers, moderate charge densities result only in aslight tilting of domain walls with respect to the film surface normal while high chargedensities stabilize saw-tooth domains. Phase transition temperatures are found todecrease due to depletion charges especially in relatively thick films while thisreduction is negligible in thinner films and their phase transition temperatures are nearlythe same as charge-free films with dead layers. Comparison with an analytical approachfor the phase transition temperature and domain period also supports the resultsextracted from the numerical approach reported in this thesis. Applied electric fieldpolarizationsimulations show that high depletion charges lead to disappearance of thehystereses but this does not necessarily mean disappearance of ferroelectric behavior.