Switchable Induced Polarization in LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures

Demonstration of a tunable conductivity of the LaAlO3/SrTiO3 interfaces drew significant attention to the development of oxide electronic structures where electronic confinement can be reduced to the nanometer range. While the mechanisms for the conductivity modulation are quite different and include metal insulator phase transition and surface charge writing, generally it is implied that this effect is a result of electrical modification of the LaAlO3 surface (either due to electrochemical dissociation of surface adsorbates or free charge deposition) leading to the change in the two-dimensional electron. gas (2DEG) density at the LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) interface. In this paper, using piezoresponse force microscopy we demonstrate a switchable electromechanical response of the LAO overlayer, which we attribute to the motion of oxygen vacancies through the LAO layer thickness. These electrically induced reversible changes in bulk stoichiometry of the LAO layer are a signature of a possible additional mechanism for nanoscale oxide 2DEG control on LAO/STO interfaces.

Nanoscale switching characteristics of nearly tetragonal BiFeO3 thin films

We have investigated the nanoscale switching properties of strain-engineered BiFeO(3) thin films deposited on LaAlO(3) substrates using a combination of scanning probe techniques. Polarized Raman spectral analysis indicates that the nearly tetragonal films have monoclinic (Cc) rather than P4mm tetragonal symmetry. Through local switching-spectroscopy measurements and piezoresponse force microscopy, we provide clear evidence of ferroelectric switching of the tetragonal phase, but the polarization direction, and therefore its switching, deviates strongly from the expected (001) tetragonal axis. We also demonstrate a large and reversible, electrically driven structural phase transition from the tetragonal to the rhombohedral polymorph in this material, which is promising for a plethora of applications.

Manipulating Ferroelectric Domains in Nanostructures Under Electron Beams

Freestanding BaTiO3 nanodots exhibit domain structures characterized by distinct quadrants of ferroelastic 90 domains in transmission electron microscopy (TEM) observations. These differ significantly from flux-closure domain patterns in the same systems imaged by piezoresponse force microscopy. Based upon a series of phase field simulations of BaTiO3 nanodots, we suggest that the TEM patterns result from a radial electric field arising from electron beam charging of the nanodot. For sufficiently large charging, this converts flux-closure domain patterns to quadrant patterns with radial net polarizations. Not only does this explain the puzzling patterns that have been observed in TEM studies of ferroelectric nanodots, but also suggests how to manipulate ferroelectric domain patterns via electron beams.

Switching ferroelectric domain configurations using both electric and magnetic fields in Pb(Zr,Ti)O3–Pb(Fe,Ta)O3 single-crystal lamellae

Thin single-crystal lamellae cut from Pb(Zr,Ti)O3–Pb(Fe,Ta)O3 ceramic samples have been integrated into simple coplanar capacitor devices. The influence of applied electric and magnetic fields on ferroelectric domain configurations has been mapped, using piezoresponse force microscopy. The extent to which magnetic fields alter the ferroelectric domains was found to be strongly history dependent: after switching had been induced by applying electric fields, the susceptibility of the domains to change under a magnetic field (the effective magnetoelectric coupling parameter) was large. Such large, magnetic field-induced changes resulted in a remanent domain state very similar to the remanent state induced by an electric field. Subsequent magnetic field reversal induced more modest ferroelectric switching.

Mask assisted fabrication of nanoislands of BiFeO3 by ion beam milling

We report on a low-damage method for direct and rapid fabrication of arrays of epitaxial BiFeO3(BFO) nanoislands. An array of aluminium dots is evaporated through a stencil mask on top of an epitaxial BiFeO3 thin film. Low energy focused ion beam milling of an area several microns wide containing the array-covered film leads to removal of the bismuth ferrite in between the aluminium-masked dots. By chemical etching of the remaining aluminium, nanoscale epitaxial bismuth ferrite islands with diameter ∼250 nm were obtained. Piezoresponse force microscopy showed that as-fabricated structures exhibited good piezoelectric and ferroelectric properties, with polarization state retention of several days.

Ferroelectric nanostructures fabricated by focused-ion-beam milling in epitaxial BiFeO3 thin films

We studied a suitable route to fabricate ferroelectric islands by focused-ion-beam milling in bismuth ferrite epitaxial thin films. Piezoresponse force microscopy shows that the damage induced by the milling process is extended to 1 mu m away from the edge of the focused-ion-beam patterned islands. After a combined vacuum and oxygen atmosphere annealing procedure, ferroelectricity is fully recovered in structures with sizes down to 500 nm, while for 250 nm islands the defects at the interfaces induce polarization direction pinning.

Monodomain strained ferroelectric PbTiO(3) thin films: Phase transition and critical thickness study

This work demonstrates that instead of paraelectric PbTiO(3), completely c-oriented ferroelectric PbTiO(3) thin films were directly grown on (001)-SrTiO(3) substrates by pulsed-laser deposition with thickness up to 340 nm at a temperature well above the Curie temperature of bulk PbTiO(3). The influence of laser-pulse frequency, substrate-surface termination on growth, and functional properties were studied using x-ray diffraction, transmission electron microscopy, and piezoresponse force microscopy. At low growth rates (frequency 8 Hz) a domains were formed for film thickness above 20-100 nm. Due to coherency strains the Curie temperature (T(c)) of the monodomain films was increased approximately by 350 degrees C with respect to the T(c) of bulk PbTiO(3) even for 280-nm-thick films. Nonetheless, up to now this type of growth mode has been considered unlikely to occur since the Matthews-Blakeslee (MB) model already predicts strain relaxation for films having a thickness of only similar to 10 nm. However, the present work disputes the applicability of the MB model. It clarifies the physical reasons for the large increase in T(c) for thick films, and it is shown that the experimental results are in good agreement with the predictions based on the monodomain model of Pertsev et al. [Phys. Rev. Lett. 80, 1988 (1998)].

Exploring Vertex Interactions in Ferroelectric Flux-Closure Domains

Using piezoresponse force microscopy, we have observed the progressive development of ferroelectric flux-closure domain structures and Landau−Kittel-type domain patterns, in 300 nm thick single-crystal BaTiO3 platelets. As the microstructural development proceeds, the rate of change of the domain configuration is seen to decrease exponentially. Nevertheless, domain wall velocities throughout are commensurate with creep processes in oxide ferroelectrics. Progressive screening of macroscopic destabilizing fields, primarily the surface-related depolarizing field, successfully describes the main features of the observed kinetics. Changes in the separation of domain-wall vertex junctions prompt a consideration that vertex−vertex interactions could be influencing the measured kinetics. However, the expected dynamic signatures associated with direct vertex−vertex interactions are not resolved. If present, our measurements confine the length scale for interaction between vertices to the order of a few hundred nanometers.

Clamping-induced changes of domain morphology in 88%Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-12%PbTiO3 (invited)

Domain microstructures in single crystal lamellae of 88%Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-12%PbTiO3 (cut from bulk using focused ion beam milling) have been mapped using both piezoresponse force microscopy and transmission electron microscopy. Dramatic changes from mottled microstructures typical of relaxors to larger scale domains typical of ferroelectrics have been noted. Stresses associated with substrate clamping are suspected as the cause for the transition from short- to long-range polar order, akin to effects induced by cation ordering achieved by thermal quenching.

Sequential injection of domain walls into ferroelectrics at different bias voltages: Paving the way for “domain wall memristors”

Simple meso-scale capacitor structures have been made by incorporating thin (300 nm) single crystal lamellae of KTiOPO4 (KTP) between two coplanar Pt electrodes. The influence that either patterned protrusions in the electrodes or focused ion beam milled holes in the KTP have on the nucleation of reverse domains during switching was mapped using piezoresponse force microscopy imaging. The objective was to assess whether or not variations in the magnitude of field enhancement at localised “hot-spots,” caused by such patterning, could be used to both control the exact locations and bias voltages at which nucleation events occurred. It was found that both the patterning of electrodes and the milling of various hole geometries into the KTP could allow controlled sequential injection of domain wall pairs at different bias voltages; this capability could have implications for the design and operation of domain wall electronic devices, such as memristors, in the future.

Local conductance: A means to extract polarization and depolarizing fields near domain walls in ferroelectrics

Conducting atomic force microscopy images of bulk semiconducting BaTiO3 surfaces show clear stripe domain contrast. High local conductance correlates with strong out-of-plane polarization (mapped independently using piezoresponse force microscopy), and current- voltage characteristics are consistent with dipole-induced alterations in Schottky barriers at the metallic tip-ferroelectric interface. Indeed, analyzing current-voltage data in terms of established Schottky barrier models allows relative variations in the surface polarization, and hence the local domain structure, to be determined. Fitting also reveals the signature of surface-related depolarizing fields concentrated near domain walls. Domain information obtained from mapping local conductance appears to be more surface-sensitive than that from piezoresponse force microscopy. In the right materials systems, local current mapping could therefore represent a useful complementary technique for evaluating polarization and local electric fields with nanoscale resolution.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Electromechanical properties of calcium bismuth titanate films: A potential candidate for lead-free thin-film piezoelectrics

CaBi4Ti4O15 (CBTi144) thin films were evaluated for use as lead-free thin-film piezoelectrics in microelectromechanical systems. The films were grown by the polymeric precursor method on (100)Pt/Ti/SiO2/Si substrates. The a/b-axis orientation of the ferroelectric film is considered to be associated with the preferred orientation of the Pt bottom electrode. The P-r and E-c were 14 mu C/cm(2) and 64 kV/cm, respectively, for a maximum applied field of 400 kV/cm. The domain structure was investigated by piezoresponse force microscopy. The film has a piezoelectric coefficient, d(33), equal to 60 pm/V and a current density of 0.7 mA/cm(2).

Structure, microstructure, ferroelectric/electromechanical properties and retention characteristics of [Bi1-x Nb (x) ]FeO3 thin films

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Structure, ferroelectric/magnetoelectric properties and leakage current density of (Bi0.85Nd0.15)FeO3 thin films

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)