Файл: За последнее десятилетие на доменных границах в объемных мультиферроидных системах было обнаружено множество новых и интересных корреляционных явлений.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 19
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Аннотация
За последнее десятилетие на доменных границах в объемных мультиферроидных системах было обнаружено множество новых и интересных корреляционных явлений. Доменные стенки представляют собой квазидвумерные функциональные объекты, которые можно индуцировать, позиционировать и стирать по требованию, что несет в себе значительный технологический потенциал для будущей наноэлектроники. Однако большинство проблем, которые еще предстоит решить, по-прежнему относятся к области фундаментальной физики конденсированного состояния и материаловедения. В данном докладе рассматриваются основополагающие экспериментальные результаты, полученные в отношении стенок электрических и магнитных доменов в объемных мультиферроидных материалах. Особое внимание уделяется физическим свойствам, возникающим у так называемых заряженных доменных стенок, и дополнительной функциональности, возникающей из-за сосуществующего магнитного порядка.
1.1. Функциональные доменные стенки в объемных сегнетоэлектриках
Сегнетоэлектрические материалы имеют тенденцию к образованию доменных стенок. Эти доменные стенки разделяют области с различной ориентацией поляризации, которые естественным образом формируются для уменьшения средней поляризации и минимизации связанного с ней поля деполяризации, и их свойства существенно влияют на эксплуатационные характеристики материалов. Подвижность сегнетоэлектрических доменных стенок, например, имеет фундаментальное значение для динамики переключения, тогда как взаимодействие между доменными стенками и дефектами имеет решающее значение для усталости сегнетоэлектрических устройств. В последнее время восприятие таких стен полностью изменилось: доменные стены больше не рассматриваются как довольно бесполезные границы между функциональными доменами. Сегодня сама стена находится в центре внимания и воспринимается как функциональный нанообъект с большими перспективами применения. Наиболее интересными являются так называемые заряженные сегнетоэлектрические доменные стенки, как показано на рисунке 1. Здесь, в отличие от нейтральных доменных стенок, на доменной стенке существуют некомпенсированные положительные или отрицательные связанные заряды, где они создают локально расходящиеся электростатические потенциалы. Эти потенциалы требуют компенсации заряда, которая может быть достигнута, например, путем перераспределения свободных носителей. На 180-градусных доменных стенках "голова к голове" и "хвост к хвосту" (см. рис. 1) поляризация изменяется на 2P. Как следствие, для полного экранирования локального поля требуется плотность 2P/q. Это означает, что можно локально повышать проводимость материалов. Используя теорию Ландау, Гуреев и др. проанализировали профиль поляризации на доменных стенках изолированного сегнетоэлектрика.
Среди других интересных находок они объяснили, что ширина заряженных доменных стенок под углом 180° в типичных перовскитных системах превышает ширину нейтральных стенок примерно на порядок величины.
Сосуществующие и связанные электрические и магнитные доменные стенки в мультиферроиках I типа
В мультиферроиках I типа параметры электрического и магнитного порядка возникают при различных температурах перехода и из-за различного микроскопического происхождения. Хотя критические температуры двух соответствующих переходов могут быть значительно выше комнатной температуры, связь между электрическими и магнитными свойствами обычно довольно слабая. Однако на уровне доменных стенок может происходить выраженное взаимодействие между магнитной и электрической степенями свободы, приводящее к новым типам граничных состояний и магнитоэлектрическим свойствам доменных стенок. Важно отметить, что конкретный тип доменной стенки, которая образуется в мультиферроиках типа I, зависит преимущественно от микроскопического механизма, который приводит к сегнетоэлектрическому порядку. Здесь выделяются три микроскопически различных механизма, которые приводят к сегнетоэлектричеству, а именно геометрически обусловленное, управляемое порядком заряда и сегнетоэлектричество, индуцируемое одиночными парами.
2.1. Мультиферроики с геометрически управляемым сегнетоэлектричеством
В сегнетоэлектриках с геометрическим управлением структурная нестабильность, вызванная размерными эффектами или геометрическими ограничениями, приводит к смещению полюсов. Здесь основным параметром порядка снижения симметрии является режим искажения с утроением элементарной ячейки, и последующее геометрически управляемое сегнетоэлектрическое состояние является неправильным (TC = 1000 K). Ориентация спонтанной поляризации задается режимом утроения, что не создает сегнетоэлектрическую поляризацию. Было показано, что это ответственно за необычное распределение сегнетоэлектрических доменов в h-RMnO3, которое представлено на рисунке 2(а). На рисунке 2(а) показано изображение PFM (ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ) при комнатной температуре, полученное на образце с плоскостной поляризацией. Уровни темного и яркого контраста соответствуют доменам +P и −P соответственно и показывают шестикратную точку пересечения чередующихся сегнетоэлектрических доменов. На вставке к рисунку 2(а) показано соответствующее измерение cAFM (Кондуктивная атомная силовая), которое подчеркивает аномальные свойства электронной проводимости в положении промежуточных сегнетоэлектрических доменных стенок. 2(b) Данные о локальном переносе показывают, что проводимость доменной стенки непрерывно изменяется между состояниями, скорее, изолирующими "голова к голове" и проводящими "хвост к хвосту", при этом ориентация доменной стенки является управляющим параметром. В атомном масштабе сегнетоэлектрические доменные стенки в h-RMnO3 не являются гладкими. Напротив, эти стенки
имеют определенную зигзагообразную структуру, состоящую из нейтральных и полностью заряженных (либо лоб в лоб, либо хвост в хвост) участков. Эта наноразмерная структура была впервые показана Чжаном и соавторами, как показано на рис. 2(c) для случая h-TmMnO3. Контрастное изображение Z на рисунке 2(c) четко показывает переход от восходящего к нисходящему (состояние +P) и в направлении вниз-вверх (состояние-P) поперек зигзагообразной стенки (красная пунктирная линия). Зигзагообразный характер доменных стенок наблюдался также у других представителей семейства h-RMnO3. Зигзагообразная наноструктура доменных стенок не улавливается вышеупомянутыми измерениями cAFM, которые обычно имеют разрешение 30 нм. Вместо этого с помощью cAFM исследуется усредненная структура, как показано на рисунке 2(d).
Однако один из наиболее важных вопросов, касающихся доменных стенок в мультиферроичном h-RMnO3, касается магнетизма доменных стенок и его корреляции с сегнетоэлектрическим порядком. В настоящее время мало что известно о локальном магнитных и магнитоэлектрических свойствах доменных стенок, поскольку эксперимент может быть достигнут только с помощью экспериментов с высоким разрешением при криогенной температуре. Члены семейства h-RMnO3 упорядочиваются антиферромагнитно ниже TN ≈ 100 К, и природа упорядочения тщательно изучалась более полувека. Основополагающим открытием в области современных исследований доменных стенок стало соединение ферроэлектрических и антиферромагнитных доменных стенок в h-YMnO3. Визуализируя доменную структуру, Фибиг и его коллеги обнаружили, что границы сегнетоэлектрических доменов всегда совпадают с границей антиферромагнитных доменов, в то время как антиферромагнитные стенки также могут существовать независимо от электрических стенок, как показано на рис. 3(а). Это наблюдение примечательно, поскольку оно стало первым пространственно разрешенным доказательством существования мультиферроической доменной стенки с сильно связанными электрической и магнитной степенями свободы. Отметим, что h-YMnO3 является мультиферроиком I типа с сегнетоэлектричеством и магнетизмом, возникающими за счет различных микроскопических механизмов и при совершенно разных температурах перехода (TC ≈ 1000 К [68], TN ≈ 100К). Десять лет спустя удалось провести измерения локального намагничивания на этих мультиферроичных доменных стенках, применив магнитно-резонансную силовую микроскопию (MFM) к своему MnO3. Поскольку переход в мультиферроичную фазу не влияет на сегнетоэлектрическую доменную структуру, стало возможным прямое сравнение результатов низкотемпературного MFM с данными PFM при комнатной температуре, как представлено на рис. 3(b) и (c). Набор данных показывает, что каждая мультиферроидная доменная стенка в h-ErMnO3 обладает суммарным магнитным моментом, который указывает либо за пределы плоскости изображения (белый цвет на рис. 2(c)), либо в плоскость изображения (черный цвет на рис. 2 (c)).
2.2. Мультиферроики, управляемые одиночной парой и зарядовым порядком
Механизм одиночных пар основан на нарушении локальной инверсионной симметрии валентными электронами. Наиболее интенсивно обсуждаемым мультиферроиком типа одиночных пар является BiFeO3. BiFeO3 принадлежит к семейству перовскитов, и упорядочение его сегнетоэлектрической и магнитной подсистем происходит независимо.
Эксперименты с доменными стенками были проведены на тонких пленках BiFeO3. Экспериментальные исследования доменных стенок в монокристаллах BiFeO3, напротив, крайне редки. Визуализация с помощью поляризованной оптической микроскопии показала, что объемный BiFeO3 имеет тенденцию к образованию больших сегнетоэлектрических доменов, как показано на рис. 4(а), и может даже кристаллизоваться в сегнетоэлектрическом однодоменном состоянии.
Собственная сегнетоэлектрическая поляризация BiFeO3 направлена вдоль псевдокубических направлений и, как следствие, все сегнетоэлектрические доменные стенки имеют тип 71°, 109° или 180°. Таким образом, аналогично тонким пленкам BiFeO3, в принципе возможно индуцировать все типы функциональных доменных стенок локальной электрической поляризацией и изучать их поведение. Такая характеристика все еще находится на рассмотрении, но весьма желательна, поскольку она может помочь понять внутренние свойства электронных доменных стенок и отделить их от других эффектов, которые возникают, например, из-за специфических условий роста при нанесении тонких пленок BiFeO3.
Установлено, что магнитное упорядочение BiFeO3 является антиферромагнитным с дополнительной дальнодействующей циклоидной спиновой модуляцией. Волновой вектор направлен перпендикулярно вектору спонтанной поляризации. Это означает, что изменение поляризации на сегнетоэлектрической стенке на 71°, 109° или 180° сопровождается изменением спиновой структуры, так что как электрические, так и магнитные свойства локально отличаются от окружающих свойств. Эта особенность делает ВиФеО3 перспективной системой для изучения физики доменных стенок в мультиферроиках. В частности, сравнение данных по объемному ВиФеО3 с результатами по ТПлен может позволить определить вклад различных эффектов, возникающих в тонких пленках.
Другой интересной особенностью объемных ВиФеО3 является формирование поверхностных слоев с различными физическими характеристиками. Доминго и др. показали существование поверхностного слоя, состоящего из самоорганизованных нанодоменов с высокой плотностью доменных стенок. Природа их еще не выяснена.
Обратимся к зарядовому порядку на примере LuFeO24. В Параэлектрической фазе ионы железа имеют среднюю валентность +2,5. Ниже Тс зарядовое упорядочение создает слои с соотношением фе2+:фе3+ 2:1 и 1:2, так что Рs между двух слоев возникает. Магнитная и электрическая подсистемы упорядочиваются отдельно при отличающихся температурах. Вследствие этого наблюдается слабая корреляция между ними. Особый интерес представляет атомная структура возможно заряженных доменных стенок сегнетоэлектрика и специфические свойства, возникающие в результате мелкоячеистой природы сети доменных стенок.
3. Связанные спиновые и зарядовые степени свободы на доменных стенках в мультиферроиках II типа
Возможно, наиболее интересными магнитоэлектрическими мультиферроиками являются те, в которых сложный магнитный дальний порядок одновременно нарушает пространственную и временную симметрию, так что индуцируется спонтанная поляризация. Обычно их называют мультиферроиками типа II или с объединенными параметрами порядка. Последнее обозначение подразумевает, что магнитный (первичный) и электрический (вторичный) параметры порядка проявляются при одном и том же фазовом переходе.
Поскольку сегнетоэлектричество проявляется только в определенных магнитоупорядоченных состояниях, неудивительно, что связь между магнитными и электрическими свойствами велика. Именно врожденный магнитный порядок генерирует поляризацию и, таким образом, обеспечивает естественно выраженную магнитоэлектрическую связь. Этот нестандартный механизм, т.е. магнитно-индуцированная сегнетоэлектрическая поляризация обеспечивает гигантские и впечатляющие эффекты.
Рассмотрим мультиферроики II типа с циклоидальными спиновыми структурами. В o-DyMnO3 возникает спонтанная поляризация ниже TC ≈ 20 К из-за наступления циклоидального магнитного порядка. Кагава и соавт. проанализировали поведение доменной стенки в мультиферроидной фазе o-DyMnO3. Они обнаружили, что доменные стенки в o-DyMnO3 могут быть довольно толстыми с шириной порядка 20 элементарных ячеек, что способствует значительной подвижности доменных стенок даже при низкой температуре. На рисунке 5(а) визуализирована структура мультиферроидной доменной стенки между сегнетоэлектрическими доменами с P || a (спиновая циклоида в плоскости ab) и P ||c (спиновая циклоида в плоскости bc). Такие 90-градусные доменные стенки возникают только вблизи магнитно-индуцированного провала поляризации o-DyMnO3, тогда как 180-градусные доменные стенки образуются при равновесии. Самое главное, что доменные стенки обладают структурой, разительно отличающейся от обычных сегнетоэлектриков. Используя мягкую рентгеновскую дифракцию, команде удалось запечатлеть 180° доменные стенки "голова к голове" и "хвост к хвосту" с предпочтительной ориентацией, перпендикулярной направлению сегнетоэлектрической поляризации, как показано на рисунке 5(b). Тот факт, что такие номинально заряженные стенки