Reversible nanoscale switching of polytwin orientation in a ferroelectric thin film induced by a local electric field

The response to a local, tip-induced electric field of ferroelastic domains in thin polycrystalline lead zirconate titanate films with predominantly (110) orientation has been studied using Enhanced Piezoresponse Force Microscopy. Two types of reversible polytwin switching between well-defined orientations have been observed. When a-c domains are switched to other forms of a-c domains, the ferroelastic domain walls rotate in-plane by 109.5°, and when a-c domains are switched to c-c domains (or vice-versa), the walls rotate by 54.75°. © 2013 AIP Publishing LLC.

Domain wall resistance in perpendicular (Ga,Mn) As: Dependence on pinning

We have investigated the domain wall resistance for two types of domain walls in a (Ga,Mn)As Hall bar with perpendicular magnetization. A sizeable positive intrinsic DWR is inferred for domain walls that are pinned at an etching step, which is quite consistent with earlier observations. However, much lower intrinsic domain wall resistance is obtained when domain walls are formed by pinning lines in unetched material. This indicates that the spin transport across a domain wall is strongly influenced by the nature of the pinning.

The influence of Notches on Domain Dynamics in Ferroelectric Nanowires

The extent to which notches inhibit axial switching of polarization in ferroelectric nanowires was investigated by monitoring the switching behavior of single crystal BaTiO(3) wires before and after patterning triangular notches along their lengths. Static zero-field domain patterns suggested a strong domain-notch interaction, implying that notches should act as pinning sites for domain wall propagation. Surprisingly though, notches appeared to assist, rather than inhibit, polar switching. The origin of this effect was rationalized using finite element modeling of the electric field distribution along the notched wire; it was found that the air gap associated with the notch acted to enhance the local field, both in the air, and in the adjacent region of the ferroelectric. It seems that this local field enhancement outweighs any pinning interactions.

Polarization Closure in PbZr(0.42)Ti(0.58)O3 Nanodots

Domain states in PbZr(0.42)Ti(0.58)O3 single-crystal ferroelectric nanodots, formed on cooling through the Curie temperature, were imaged by transmission electron microscopy. In the majority of cases, 90o stripe domains were found to form into four distinct “bundles” or quadrants. Detailed analysis of the dipole orientations in the system was undertaken, using both dark-field imaging and an assumption that charged domain walls were energetically unfavorable in comparison to uncharged walls. On this basis, we conclude that the dipoles in these nanodots are arranged such that the resultant polarizations, associated with the four quadrant domain bundles, form into a closed loop. This “polarization closure” pattern is reminiscent of the flux-closure already commonly observed in soft ferromagnetic microdots but to date unseen in analogous ferroelectric dots.

Substrate Clamping Effects on Irreversible Domain Wall Dynamics in Lead Zirconate Titanate Thin Films

The role of long-range strain interactions on domain wall dynamics is explored through macroscopic and local measurements of nonlinear behavior in mechanically clamped and released polycrystalline lead zirconate-titanate (PZT) films. Released films show a dramatic change in the global dielectric nonlinearity and its frequency dependence as a function of mechanical clamping. Furthermore, we observe a transition from strong clustering of the nonlinear response for the clamped case to almost uniform nonlinearity for the released film. This behavior is ascribed to increased mobility of domain walls. These results suggest the dominant role of collective strain interactions mediated by the local and global mechanical boundary conditions on the domain wall dynamics. The work presented in this Letter demonstrates that measurements on clamped films may considerably underestimate the piezoelectric coefficients and coupling constants of released structures used in microelectromechanical systems, energy harvesting systems, and microrobots.

Magnetic properties and domain-wall motion in single-crystal BaFe10.2Sn0.74Co0.66O19

The magnetic properties of BaFe12O19 and BaFe10.2Sn0.74Co0.66O19 single crystals have been investigated in the temperature range (1.8 to 320 K) with a varying field from -5 to +5 T applied parallel and perpendicular to the c axis. Low-temperature magnetic relaxation, which is ascribed to the domain-wall motion, was performed between 1.8 and 15 K. The relaxation of magnetization exhibits a linear dependence on logarithmic time. The magnetic viscosity extracted from the relaxation data, decreases linearly as temperature goes down, which may correspond to the thermal depinning of domain walls. Below 2.5 K, the viscosity begins to deviate from the linear dependence on temperature, tending to be temperature independent. The near temperature independence of viscosity suggests the existence of quantum tunneling of antiferromagnetic domain wall in this temperature range.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Síntese, sinterização e caracterização de ferritas à base de Ni-Zn

Were synthesized different ferrites NixZn1-xFe2O4 (0,4 ≤ x ≤ 0,6) compositions by using citrate precursor method. Initially, the precursors citrates of iron, nickel and zinc were mixed and homogenized. The stoichiometric compositions were calcined at 350°C without atmosphere control and the calcined powders were pressed in pellets and toroids. The pressed material was sintered from 1100º up to 1200ºC in argon atmosphere. The calcined powders were characterized by XRD, TGA/DTG, FTIR, SEM and vibrating sample magnetometer (VSM). All sintered samples were characterized using XRD, SEM, VSM and measurements of magnetic permeability and loss factor were obtained. It was formed pure ferromagnetic phase at all used temperatures. The Rietveld analyses allowed to calculate the cations level occupation and the crystallite size. The analyses obtained nanometric crystals (12-20 nm) to the calcined powder. By SEM, the sintered samples shows grains sizes from 1 to 10 μm. Sintered densities (ρ) were measured by the Archimedes method and with increasing Zn content, the bulk density decrease. The better magnetization results (105-110 emu/g) were obtained for x=0,6 at all sintering temperatures. The hysteresis shows characteristics of soft magnetic material. Two magnetization processes were considered, superparamagnetism at low temperature and the magnetic domains formation at high temperatures. The sintered toroids presents relative magnetic permeability (μr) from 7 to 32 and loss factor (tanδ) of about 1. The frequency response of toroids range from 0,3 kHz to 0,2 GHz. The composition x=0,5 presents both greater μr and tanδ values and x=0,6 the most broad range of frequency response. Various microstructural factors show influence on the behavior of μr and tanδ, such as: grain size, porosity across grain boundary and inside the grain, grain boundary content and domain walls movement during the process of magnetization at high frequency studies (0,3kKz 0,2 GHz)

Domain wall contribution to dielectric and piezoelectric responses in 0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.35PbTiO(3) ferroelectric ceramics

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

Otimização da síntese de nanoferritas de nizn dopada com cobre e cobalto

Different compositions of Ni0,5-xCuxZn0,5Fe2O4 and Ni0,5-xCoxZn0,5Fe2O4 0 ≤ x ≤ 0.3 were synthesized ferrite y the citrate precursor method. The stoichiometric compositions were calcined in air at 350°C and then pressed into pellets and toroids. The pressed samples were sintered at temperatures of 1000, 1050 and 1100°C/3h in air control at the speed of heating and cooling. The calcined powders were characterized by XRD, TGA / DTG, FTIR, SEM and vibrating sample magnetometry (VSM) and the sintered samples by XRD, SEM, MAV, density and measurements of permeability and magnetic losses. There was pure phase formation ferrimagnetism applied at all temperatures except for A-I composition at all sintering temperatures and A-II only at a temperature of 1100°C. Crystallite sizes were obtained by Rietveld analysis, nanometer size from 11 to 20 nm for the calcined powders. For SEM, the sintered samples showed grain size between 1 and 10 micrometers. Bulk density (ρ) of sintered material presented to the Families almost linear behavior with increasing temperature and a tendency to decrease with increasing concentration of copper, different behavior of the B Family, where the increase in temperature decreased the density. The magnetic measurements revealed the powder characteristics of a soft ferrimagnetic material. Two processes of magnetization were considered, the superparamagnetism at low temperatures (350°C) and the formation of magnetic domains at higher temperatures. Obtaining the best parameters for P and B-II magnetic ferrites at high temperatures. The sintered material at 1000°C showed a relative permeability (μ) from 50 to 800 for the A Family and from 10 to 600 for the B Family. The samples sintered at 1100°C, B Family showed a variation from 10 to 1000 and the magnetic loss (tan δ) of A and B Families, around of 1. The frequency response of the toroidal core is in the range of 0.3 kHz. Several factors contribute to the behavior of microstructure considering the quantities μ and tan δ, such as the grain size, inter-and intragranular porosity, amount of grain boundary and the aspects of the dynamics of domain walls at high frequencies.

Nucleação de vortices e paredes de domínio em nanoestruturas magnéticas

We report a theoretical investigation of the magnetic phases and hysteresis of exchange biased ferromagnetic (F) nanoelements for three di erent systems: exchange biased nanoparticles, exchange biased narrow ferromagnetic stripes and exchange biased thin ferromagnetic lms. In all cases the focus is on the new e ects produced by suitable patterns of the exchange energy coupling the ferromagnetic nanoelement with a large anisotropy antiferromagnetic (AF) substrate. We investigate the hysteresis of iron and permalloy nanoparticles with a square basis, with lateral dimensions between 45 nm and 120 nm and thickness between 12 nm and 21 nm. Interface bias is aimed at producing large domains in thin lms. Our results show that, contrary to intuition, the interface exchange coupling may generate vortex states along the hysteresis loop. Also, the threshold value of the interface eld strength for vortex nucleation is smaller for iron nanoelements. We investigate the nucleation and depinning of an array of domain walls pinned at interface defects of a vicinal stripe/AF bilayer. The interface exchange eld displays a periodic pattern corresponding to the topology of the AF vicinal substrate. The vicinal AF substrate consists of a sequence of terraces, each with spins from one AF subalattice, alternating one another. As a result the interface eld of neighboring terraces point in opposite direction, leading to the nucleation of a sequence of domain walls in the ferromagnetic stripe. We investigated iron an permalloy micrometric stripes, with width ranging from 100 nm and 300 nm and thickness of 5 nm. We focused in domain wall sequences with same chirality and alternate chirality. We have found that for 100nm terraces the same chiraility sequence is more stable, requiring a larger value of the external eld for depinning. The third system consists of an iron lm with a thickness of 5 nm, exchange coupled to an AF substrate with a periodic distribution of islands where the AF spins have the opposite direction of the spins in the background. This corresponds to a two-sublattice noncompensated AF plane (such as the surface of a (100) FeF2 lm), with monolayer-height islands containing spins of one sublattice on a surface containing spins of the opposite sublattice. The interface eld acting in the ferromagnetic spins over the islands points in the opposite direction of that in the spins over the background. This a model system for the investigation of interface roughness e ects. We have studied the coercicivity an exchange bias hysteresis shift as a function of the distance between the islands and the degree of interface roughness. We have found a relevant reduction of coercivity for nearly compensated interfaces. Also the e ective hysteresis shift is not proportional to the liquid moment of the AF plane. We also developed an analytical model which reproduces qualitatively the results of numerical simulations

Domain wall description of superconductivity

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Static domain wall in braneworld gravity

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Lineare und nichtlineare dielektrische Spektroskopie am Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat

Relaxor-Ferroelektrika sind wegen ihrer möglichen technischen Anwendungen und vom Standpunkt der Grundlagenforschung als Beispiel für ungeordnete Systeme von wissenschaftlichem Interesse. Trotz zahlreicher experimenteller Untersuchungen sind die mikroskopischen Ursachen ihrer Eigenschaften aber nach wie vor ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat-Bleititanat (PMN-10PT) mittels linearer und nichtlinearer dielektrischer Spektroskopie untersucht. Durch Anregung mit starken elektrischen Wechselfeldern konnten mit der Methode des nichtresonanten dielektrischen Lochbrennens frequenzselektiv einzelne spektrale Bereiche aus dem verbreiterten Relaxationsspektrum herausgegriffen und deren Rückrelaxation separat verfolgt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, daß eine langlebige dynamische Heterogenität der dipolaren Reorientierung existiert. Durch ihr ausgeprägt nichtergodisches Verhalten zeigen Relaxor-Ferroelektrika starke Alterungseffekte. Die Untersuchung des Alterungsverhaltens der dielektrischen Suszeptibilität zeigte, daß ein Gedächtnis für die bei einer Alterungstemperatur eingenommene Konfiguration bestehen bleibt, sofern die Temperatur nach einer unvollständigen isothermen Alterung nur um einige Grad abgesenkt oder erhöht wurde.Außerdem wurde die induzierte Polarisation bei stochastischen dielektrischen Anregungen mit elektrischen Feldern, die in sehr guter Näherung ein weißes Rauschen darstellten, untersucht. Über die Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Feld und Polarisation konnte die Impulsantwortfunktion des Systems berechnet werden.Die experimentellen Ergebnisse am Relaxor-Ferroelektrikum PMN-10PT können sehr gut mit einem Modell eines ungeordneten Ferroelektrikums erklärt werden, dessen Domänenwände unordnungsbedingt an sogenannten Pinning-Zentren festhaften.

Entwicklung der zeitaufgelösten Photoemissions-Elektronenmikroskopie für die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von mikrostrukturierten magnetischen Schichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskopie (TR-PEEM) für die in-situ Untersuchung ultraschneller dynamischer Prozesse in dünnen mikrostrukturierten magnetischen Schichten während eines rasch verändernden externen Magnetfelds entwickelt. Das Experiment basiert auf der Nutzung des XMCD-Kontrasts (X-ray magnetic circular dichroism) mit Hilfe des zirkularpolarisierten Lichts von Synchrotronstrahlungsquellen (Elektronenspeicherringen BESSY II (Berlin) und ESRF (Grenoble)) für die dynamische Darstellung der magnetischen Domänen während ultraschneller Magnetisierungsvorgänge. Die hier entwickelte Methode wurde als erfolgreiche Kombination aus einer hohen Orts- und Zeitauflösung (weniger als 55 nm bzw. 15 ps) realisiert. Mit der hier beschriebenen Methode konnte nachgewiesen werden, dass die Magnetisierungsdynamik in großen Permalloy-Mikrostrukturen (40 µm x 80 µm und 20 µm x 80 µm, 40 nm dick) durch inkohärente Drehung der Magnetisierung und mit der Bildung von zeitlich abhängigen Übergangsdomänen einher geht, die den Ummagnetisierungsvorgang blockieren. Es wurden neue markante Differenzen zwischen der magnetischen Response einer vorgegebenen Dünnfilm-Mikrostruktur auf ein gepulstes externes Magnetfeld im Vergleich zu dem quasi-statischen Fall gefunden. Dies betrifft die Erscheinung von transienten raumzeitlichen Domänenmustern und besonderen Detailstrukturen in diesen Mustern, welche im quasi-statischen Fall nicht auftreten. Es wurden Beispiele solcher Domänenmuster in Permalloy-Mikrostrukturen verschiedener Formen und Größen untersucht und diskutiert. Insbesondere wurde die schnelle Verbreiterung von Domänenwänden infolge des präzessionalen Magnetisierungsvorgangs, die Ausbildung von transienten Domänenwänden und transienten Vortizes sowie die Erscheinung einer gestreiften Domänenphase aufgrund der inkohärenten Drehung der Magnetisierung diskutiert. Ferner wurde die Methode für die Untersuchung von stehenden Spinwellen auf ultradünnen (16 µm x 32 µm groß und 10 nm dick) Permalloy-Mikrostrukturen herangezogen. In einer zum periodischen Anregungsfeld senkrecht orientierten rechteckigen Mikrostruktur wurde ein induziertes magnetisches Moment gefunden. Dieses Phänomen wurde als „selbstfangende“ Spinwellenmode interpretiert. Es wurde gezeigt, dass sich eine erzwungene Normalmode durch Verschiebung einer 180°-Néelwand stabilisiert. Wird das System knapp unterhalb seiner Resonanzfrequenz angeregt, passt sich die Magnetisierungsverteilung derart an, dass ein möglichst großer Teil der durch das Anregungsfeld eingebrachten Energie im System verbleibt. Über einem bestimmten Grenzwert verursacht die Spinwellenmode nahe der Resonanzfrequenz eine effektive Kraft senkrecht zur 180°-Néel-Wand. Diese entsteht im Zentrum der Mikrostruktur und wird durch die streufeldinduzierte Kraft kompensiert. Als zusätzliche Möglichkeit wurden die Streufelder von magnetischen Mikrostrukturen während der dynamischen Prozesse quantitativ bestimmt und das genaue zeitliche Profil des Streufelds untersucht. Es wurde gezeigt, dass das zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskop als ultraschnelles oberflächensensitives Magnetometer eingesetzt werden kann.