Influence of external influences on the activation of domain walls of ferroelectric perovskites

Данил Владимирович Кузенко

doi:10.17308/kcmf.2025.27/12864

Данил Владимирович Кузенко ФГБНУ «Научно-исследовательский институт «Реактивэлектрон», ул. Бакинских Комиссаров, 17а, Донецк 283049, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-3295-9075

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/12864

Ключевые слова: сегнетоэлектрические перовскиты, доменные границы, петля диэлектрического гистерезиса, энергия активации, переполяризация, цирконат бария, титанат бария, цирконат-титанат свинца, магнониобат свинца

Аннотация

Цель статьи: В статье поставлена задача установить закономерности влияния внешних воздействий (тепловых и электрических) на активацию доменных границ в сегнетоэлектрических материалах кислородно-октаэдрического типа со структурой перовскита, которые имеют широкое применение в устройствах электронной техники. Одной из проблем при этом является устойчивость доменных границ по отношению к внешним воздействиям. Исходя из этого, целью статьи является определение энергии активации необратимого движения доменных границ при переключении поляризации сегнетоэлектрика электрическим полем в широком интервале температур.

Экспериментальная часть: Определено значение критической энергии Wmax взаимодействия сегнетоэлектрических доменов с внешним электрическим полем, необходимой для необратимого изменения доменной структуры сегнетоэлектрика в различных тепловых условиях. Для этого проведен анализ петель диэлектрического гистерезиса P(E) образцов, полученных при различных температурах. В качестве объектов исследования выбраны сегнетоэлектрические материалы со структурой перовскита кислородно-октаэдрического типа: сверхрешетка BaZrO₃/BaTiO₃, пленки Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃, керамика (Pb_0.96Sr_0.04(Mg_1/3Nb_2/3)_0.275(Ni_1/3Nb_2/3)_0.1Ti_0.375Zr_0.25O₃ и керамика
Pb_0.88Ba_0.06Sr_0.06(Mg_1/3Nb_2/3)_0.37Zr_0.375Ti_0.255O₃).

Выводы: Определены температурные зависимости критической энергии W_max взаимодействия сегнетоэлектрических доменов с внешним электрическим полем, необходимой для необратимого изменения доменной структуры сегнетоэлектрика. Обосновано предположение, что энергия W_max имеет смысл энергии активации доменной структуры сегнетоэлектрика при переключении поляризации электрическим полем, необходимой для необратимого изменения его доменной структуры. Установлено, что критическая энергия W_max снижается по линейному закону с ростом температуры в широком интервале температур, лежащем ниже точки Кюри. Полученные результатыимеют научную и практическую ценность, т. к. позволяют определять условия устойчивости доменной структуры
сегнетоэлектрика к внешним воздействиям и расширяют возможности применения метода Сойера–Тауэра для определения энергий активации необратимого изменения доменной сегнетоэлектрической структуры

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биография автора

Данил Владимирович Кузенко, ФГБНУ «Научно-исследовательский институт «Реактивэлектрон», ул. Бакинских Комиссаров, 17а, Донецк 283049, Российская Федерация

к. ф.-м. н., заведующий отделом функциональных материалов, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт «Реактивэлектрон» (Донецк, Российская Федерация)

Литература

Kuzenko D. V. Temperature-activation mechanism of the temperature dependence of the dielectric constant of ferroelectric ceramics PZT. Journal of Advanced Dielectrics. 2022; 12(3): 2250010. https://doi.org/10.1142/S2010135X22500102

Zhang X., Wang B., Ji Y., … Nan C.-W. First-principles calculations of domain wall energies of prototypical ferroelectric perovskites. Acta Materialia. 2023;242: 118351. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118351

Gridnev S. A., Popov I. I. Kinetics of phase transformation at the Curie point of ferroelectric ceramic Ba0.8Sr0.2TiO3. Ferroelectrics. 2020;561(1): 127–134. https://doi.org/10.1080/00150193.2020.1736925

Sidorkin A. S., Nesterenko L. P., Sidorkin A. A., Matveev N. N. Effect of sample thickness on the mobility of domain walls in thin ferroelectric films of lead zirconatetitonate and lead titanate. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2013;77(8): 1038–1040. https://doi.org/10.3103/s1062873813080388

Durdiev D., Zaiser M., Wendler F., … Uranagase M. Determining thermal activation parameters for ferroelectric domain nucleation in BaTiO3 from molecular dynamics simulations. Applied Physics Letters. 2024;124: 132901. https://doi.org/10.1063/5.0187476

Pramanick A., Prewitt A. D., Forrester J. S., Jones J. L. Domains, domain walls and defects in perovskite erroelectric oxides: a review of pPresent understanding and recent contributions. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2012;37(4): 243–275. https://doi.org/10.1080/10408436.2012.686891

Warren W. L., Vanheusden K., Dimos D., Pike G. E., Tuttle B. A. Oxygen vacancy motion in perovskite oxides. Journal of the American Ceramic Society. 1996;79(2): 536–538. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1996.tb08162.x

Zhou X., Liu Z., Xu B.-X. Influence of dislocations on domain walls in perovskite ferroelectrics: phase-field simulation and driving force calculation. International Journal of Solids and Structures. 2022;238: 111391. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2021.111391

Sidorkin A. S., Nesterenko L. P., Gagou Y., … Popravko N. G. Repolarization of ferroelectric superlattices BaZrO3/BaTiO3. Scientific Reports. 2019;9: 18948. https://doi.org/10.1038/s41598-019-55475-2

Chen X., Qiao X., Zhang L., … Geng W. Temperature dependence of ferroelectricity and domain switching behavior in Pb(Zr0.3Ti0.7)O3 ferroelectric thin films. Ceramics International. 2019;45: 18030–18036. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06.022

Du G., Liang R., Wang L., … Dong X. Temperaturedependent ferroelectric dynamic hysteresis properties of modified PMN-PZT relaxor ceramics. Physica Status Solidi –Rapid Research Letters. 2013;7(6): 438–442. https://doi.org/10.1002/pssr.201307138

Wen B., Zhang Y., Liu X., Ma L., Wang X. Temperaturedependent ferroelectric hysteresis properties of modified lead zirconate titanate ceramics. Journal of Materials Science. 2012;47(10): 4299–4304. https://doi.org/10.1007/s10853-012-6280-y

Ishchuk V. M., Kuzenko D. V. F-centers mechanism of long-term relaxation in lead zirconate-titanate based piezoelectric ceramics. 2. After-field relaxation. Journal of Advanced Dielectrics. 2016;6(3): 1650019. https://doi.org/10.1142/S2010135X16500193

Kuzenko D. V., Bazhin A. I., Spiridonov N. A. Energy approach to the dependence of the parameters of ferroelectric ceramics (Pb0.95Sr0.05)(ZrхTi1-х)O3 on a DC electric field.Ferroelectrics. 2021;573(1): 76–86. https://doi.org/10.1080/00150193.2021.1890465

Smolensky G. A., Bokov V. A., Isupov V. A., Krainik N. N., Pasynkov R. E., Shur M. S. Ferroelectrics and antiferroelectrics. Leningrad.: Nauka Publ.: 1971. 476 p. (In Russ.)

Sidorkin A. S. Domain structure in ferroelectrics and related materials. Moscow: Fizmatlit Publ; 2000. 239 p. (In Russ.)

Yan H., Inam F., Viola G., … Reece M. J. The contribution of electrical conductivity, dielectric permittivity and domain switching in ferroelectric hysteresis loops. Journal of Advanced Dielectrics. 2011;1(1): 107–118 https://doi.org/10.1142/S2010135X11000148

Jaffe B., Cook W. R. Jr., Jaffe H. Piezoelectric ceramics. London and New York: Academic Press; 1971. 328 p.

Zhang L. L., Huang Y. N. Theory of relaxorferroelectricity. Scientific Reports. 2020;10: 5060. https://doi.org/10.1038/s41598-020-61911-5

Carreras-Casas C., García-Zaldívar O., Peláiz-Barranco A., González-Abreu Y., Calderón-Piñar F., Guerra J. D. S. Relaxor ferroelectric behavior: An approach considering both the dipolarand electrical conductivity contributions. Journal of Advanced Dielectrics. 2021;11(3): 2140008. https://doi.org/10.1142/S2010135X21400087

Sun E., Cao W. Relaxor-based ferroelectric single crystals: growth, domain engineering, characterization and applications. Progress in Materials Science. 2014;65: 124–210. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.03.006

Ushakov A. D., Hu Q., Liu X., Xu Z., Wei X., Shur V. Y. Domain structure evolution during alternating current poling and its influence on the piezoelectric properties in [001]-cut rhombohedral PIN-PMN-PT single crystals. Applied Physics Letters. 2021;118(23): 232901. https://doi.org/10.1063/5.0055127

Misirlioglu I. B., Okatan M. B., Alpay S. P. Asymmetric hysteresis loops and smearing of the dielectric anomaly at the transition temperature due to space charges in ferroelectric thin films. Journal of Applied Physics. 2010;108(3): 034105. https://doi.org/10.1063/1.3457348

Sidorkin A. S., Nesterenko L. P., Ryabtsev S. V., Sidorkin A. A. Frequency dependence of the coercive field and the internal bias field in ferroelectric thin films. Physics of the Solid State. 2009;51(7): 1348–1350. https://doi.org/10.1134/s1063783409070075

Tagantsev A. K. Size effects in polarization switching in ferroelectric thin films. Integrated Ferroelectrics. 1997;16: 237–244. https://doi.org/10.1080/10584589708013046

Влияние внешних воздействий на активацию доменных границ сегнетоэлектрических перовскитов

Аннотация

Скачивания

Биография автора

Литература