Nanoscale investigation of coupling phenomena in bismuth ferrite under continuously varied mechanical stress
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die hier untersuchten BFO-Dünnschichten sind in ihrer Zusammensetzung und chemischen Konstitution sehr unterschiedlich und nicht vergleichbar. Vergleichende Messungen an nominell identischen Proben aus derselben Herstellergruppe (AG Ramesh, Berkeley) zeigen markante Unterschiede. Sowohl die technischen Bedingungen bei der Herstellung einerseits als auch die Person selber, die die Filme wächst, haben starken Einfluss auf die zu erreichende Qualität. Künftig sind ein starkes Augenmerk auf die chemische Zusammensetzung als Funktion der Tiefe zu legen; die routinemäßig durchgeführten RHEED-Aufnahmen als Kontrolle während des PLD Wachstums sind nicht ausreichend. Eine lokale chemische Analyse ist entscheidend und unabdingbar. Sämtliche makroskopischen Messungen (Hysteresekurven, Leitfähigkeit, etc.) zeigen an diesen Filmen starke elektrische Leckströme und damit Kurzschlüsse, die eine solche Analyse unmöglich machen. Auch sind diese Ströme über die gesamten Domänen zu sehen und nicht etwa an die Domänenwand oder Korngrenzen gebunden. Daher war es „nur“ möglich, lokale Analysen mit Hilfe der AFM Techniken durchzuführen. Das Cypher-AFM wurde erfolgreich in Betrieb genommen und in allen seinen Messmoden getestet bzw. direkt für die Forschung an solchen BFO Dünnfilmen eingesetzt. Insbesondere die PFM Moden für die z- und x-Richtung konnten hier erfolgreich an BFO Dünnfilmen eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde auch der Kelvin-Force-Probe Modus für die Analyse von BFO Dünnfilmen verwendet, dies als konsequente Folgerung aus den hier durchgeführten mechanisch-induzierten Verzerrungen der Dünnfilme. Es wurde erfolgreich eine Biegestation für den Cypher-Messraum konzipiert, kalibriert und für die Analyse von 3 unterschiedlich dicken BFO Proben appliziert. Die Biegestation ist geeicht und lässt sowohl kompressive als auch tensile Verspannung bis zur Bruchgrenze der STO Substrate zu. 80-nm und 60-nm dünne BFO Filme zeigen unter tensilem Stress eine markante Veränderung der in-plane Hysteresen und damit einen einstellbaren Imprint. Die out-ofplane Komponente variiert nur ganz wenig. An 150-nm dicken BFO Filmen konnte klar eine Zunahme der z+ Polarisation unter tensilem Stress gezeigt werden, der die inhärente epitaktische Gitterfehlanpassung aufzuheben vermag. Ein kompressiver Stress dagegen hat wenig Einfluss auf die Polarisationsverteilung. Daher sind für das BFO/STO Probensystem ausschließlich tensile Verspannungen von Bedeutung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Strain-mediated elastic coupling in magnetoelectric nickel/barium-titanate heterostructures”, Phys. Rev. B 87 (2013) 054410
R. Streubel, D. Köhler, R. Schäfer, and L.M. Eng
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.054410) - “Electronic properties of isosymmetric phase boundaries in highly strained Cadoped BiFeO3“, Adv. Mater. 26 (2014) 4376
J. Seidel, M. Trassin, Y. Zhang, P. Maksymovych, T. Uhlig, P. Milde, D. Köhler, A.P. Baddorf, S.V. Kalinin, L.M. Eng, X. Pan, and R. Ramesh
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201400557) - “Nanoscale and macroscopic electrical AC transport along conductive domain walls in lithium niobate single crystals”, Materials Research Express 1 (2014) 035012
M. Schröder, Xi Chen, A. Haußmann, A. Thiessen, J. Poppe, D. Bonnell, and L.M. Eng
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/2053-1591/1/3/035012) - “Shedding light on nanoscale ferroelectrics”, Current Applied Physics 14 (2014) 1083-1091
J. Seidel and L.M. Eng
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cap.2014.06.003) - “Enhancing the domain wall conductivity in lithium niobate single crystals”, ACS Nano 11 (2017) 4816 – 4824
Ch. Godau, Th. Kämpfe, A. Thiessen, A. Haußmann, and L.M. Eng
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsnano.7b01199)
