Kooperative Kinetik von Defekten und Domänenstrukturen in Ferroelektrika
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das allgemeine Ziel des Vorhabens war es, die Hauptmerkmale der Bildung und kooperativen Entwicklung von Domänenstrukturen in Ferroelektrika in Gegenwart von beweglichen – ionischen oder elektronischen – Ladungsträgern sowie elektroneutralen elastischen Defekten im Volumen oder an der Oberfläche zu ermitteln. Folgende Probleme wurden im Rahmen des Projekts untersucht und Ergebnisse erhalten: 1. Die gekoppelte Entwicklung der Polarisationsdomänenstruktur und der Verteilung der beweglichen Ladungsdefekte (Elektronen, Löcher und Sauerstoffleerstellen) im akzeptordotierten tetragonalen Bariumtitanat wurde im Rahmen des Landau-Ginzburg-Devonshire-Ansatzes (LGD) untersucht, der neben Polarisation und elektrischem Feld auch piezoelectrische, elektrostriktive und flexoelektrische Kopplung umfasste. Es wurde eine Hierarchie von charakteristischen Zeiten aufgedeckt, die mit verschiedenen Prozessen zusammenhängen, die zur Materialalterung beitragen. 2. Für die dehnungsinduzierte Ordnung von elektrisch neutralen elastischen Defekten (z.B. Sauerstoffleerstellen) in dünnen Oxidschichten wurde ein Landau-Modell entwickelt, das zwei defektgeordnete Phasen zeigt, die entweder durch parallele oder senkrechte Defektordnung in Ebenen gekennzeichnet sind, und deren Phasendiagramme in Bezug auf die Schicht-Substrat-Fehlanpassungsdehnung und die Konzentration von Defekten berechnet und analysiert wurden. 3. Unter Verwendung des LGD-Ansatzes wurde der Einfluss der Misfit-Dehnung und der Oberflächenabschirmungsladungen sowie die Rolle des flexoelektrischen Effekts im Fall einer rhomboedrischen ferroelektrischen Blei-Zirkonat-Titanat-Dünnschicht mit einer anisotropen Fehlanpassung, die durch ein Substrat verursacht wird, untersucht. Insbesondere wurde die spontane Bildung stabiler und reproduzierbarer 3D-Polarisationsschlussstrukturen (Skyrmionen) auf der freien Oberfläche der Schicht bei hoher negativer Misfit-Dehnung festgestellt, die auch in Abwesenheit des flexoelektrischen Effekts sowie in Gegenwart einer beträchtlichen Oberflächenabschirmung erhalten blieben. 4. Eine Kopplung zwischen Oberflächenelektrochemie und intrinsischen polaren Instabilitäten in Antiferroelektrika wurde unter Verwendung des modifizierten thermodynamischen LGD-Ansatzes in Bezug auf die polaren und antipolaren Ordnungsparameter untersucht, der durch das Stephenson-Highland-Modell der absorbierten Ionen und Leerstellen an der Oberfläche ergänzt wurde. Die möglichen Anwendungen der mit einer Oberflächen-Ionen-Schicht überzogenen antiferroelektrischen Schichten zur Energie- und Informationsspeicherung wurden quantitativ untersucht und diskutiert. 5. Über die ursprünglichen Projektziele hinaus wurde die Kinetik der ferroelektrischen Domänenbildung und -schaltung untersucht, insbesondere das mehrstufige stochastische Schalten in multiaxialen polykristallinen Ferroelektrika und die stochastische Bildung der Domänenstruktur in einem einachsigen einkristallinen Ferroelektrikum.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hierarchy of domain reconstruction processes due to charged defect migration in acceptor doped ferroelectrics. Acta Materialia, 184, 267-283.
Vorotiahin, Ivan S.; Morozovska, Anna N. & Genenko, Yuri A.
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Mesoscopic theory of defect ordering–disordering transitions in thin oxide films. Scientific Reports, 10(1).
Morozovska, Anna N.; Eliseev, Eugene A.; Karpinsky, Dmitry V.; Silibin, Maxim V.; Vasudevan, Rama; Kalinin, Sergei V. & Genenko, Yuri A.
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Phenomenological theory of defect driven flexo-chemical phenomena in ferroics. Ferroelectrics, 569(1), 62-69.
Eliseev, Eugene A.; Glinchuk, Maya D.; Genenko, Yuri A. & Morozovska, Anna N.
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Control of Domain States in Rhombohedral Lead Zirconate Titanate Films via Misfit Strains and Surface Charges. Advanced Electronic Materials, 8(6).
Vorotiahin, Ivan S.; Morozovska, Anna N.; Eliseev, Eugene A. & Genenko, Yuri A.
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Effect of Surface Ionic Screening on Polarization Reversal and Phase Diagrams in Thin Antiferroelectric Films for Information and Energy Storage. Physical Review Applied, 16(4).
Morozovska, Anna N.; Eliseev, Eugene A.; Biswas, Arpan; Morozovsky, Nicholas V. & Kalinin, Sergei V.
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Multi-objective Bayesian optimization of ferroelectric materials with interfacial control for memory and energy storage applications. Journal of Applied Physics, 130(20).
Biswas, Arpan; Morozovska, Anna N.; Ziatdinov, Maxim; Eliseev, Eugene A. & Kalinin, Sergei V.
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Multistep stochastic mechanism of polarization reversal in orthorhombic ferroelectrics. Physical Review B, 104(18).
Genenko, Y. A.; Zhang, M.-H.; Vorotiahin, I. S.; Khachaturyan, R.; Liu, Y.-X.; Li, J.-W.; Wang, K. & Koruza, J.
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Ferroelectric polycrystals: Structural and microstructural levers for property-engineering via domain-wall dynamics. Progress in Materials Science, 136, 101101.
Schultheiß, J.; Picht, G.; Wang, J.; Genenko, Y.A.; Chen, L.Q.; Daniels, J.E. & Koruza, J.
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Statistical correlations of random polarization and electric depolarization fields in ferroelectrics. Physical Review B, 108(13).
Genenko, Yuri A.; Mazur, Olga Y. & Stefanovich, Leonid I.
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Stochastic theory of ferroelectric domain structure formation dominated by quenched disorder. Physical Review B, 107(14).
Mazur, Olga Y.; Stefanovich, Leonid I. & Genenko, Yuri A.
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Universal kinetics of the stochastic formation of polarization domain structures in a uniaxial single-crystal ferroelectric. Physical Review B, 109(10).
Mazur, Olga Y.; Stefanovich, Leonid I. & Genenko, Yuri A.
