Физики исследовали доменную динамику сегнетоэлектрика при циклическом изменении приложенного поля в просвечивающем электронном микроскопе. Они выяснили, что домены демонстрируют различный характер баркгаузеновских скачков в зависимости от того, взаимодействует домен с решеткой или с другим доменом, а также обнаружили элементарный механизм, приводящий к деградации сегнетоэлектрика. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Наведение электрического поля на вещество вызывает в нем перераспределение зарядов, что выражается в индуцированной поляризации. Однако существуют среды, называемые сегнетоэлектриками, в которых поляризация существует даже в отсутствие внешних полей. Это вызвано одинаковым направлением локальных диполей, чей порядок сохраняется в пределах некоторого домена.
Направление этой поляризации можно менять, прикладывая электрическое поле. Зависимость поляризации сегнетоэлектриков от величины поля при детальном рассмотрении оказалась не гладкой, а ступенчатой функцией. Этот эффект носит имя Баркгаузена — физика, обнаружившего его в ферромагнетиках. Он объясняется различными неоднородностями в кристаллах, которые препятствуют непрерывной перестройке доменных стенок.
В зависимости от конкретных кристаллов происхождение скачков Баркгаузена может быть различным. Так, в керамике и монокристалле BaTiO3 для доменов игольчатой формы характерно задержка их стенок на дефектах, их слияние и изменение формы. Во многом выявление конкретного механизма зависит от применяемого метода, не все из которых обладают достаточным временным или пространственным разрешением. Просвечивающая электронная микроскопия лишена этих недостатков, но ее применение упирается в неоднородность электрического поля и чувствительность структуры к пропусканию через нее электронов.
Рейнис Игнатанс (Reinis Ignatans) и его коллеги из Федеральной политехнической школы Лозанны смогли добиться стабилизации электрического поля при визуализации в реальном времени доменной динамики в монокристалле BaTiO3 с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Для этого они вырастили кристалл на поверхности МЭМС-устройства с несколькими электродами для контроля равномерности температуры и электрического поля. В результате им удалось напрямую увидеть изменения размеров доменов при изменении поля и понять, какие причины вызывают при этом эффект Баркгаузена.
В начале эксперимента поляризационная структура монокристалла, нагретого до температуры 130 градусов по Цельсию, состояла из групп игольчатых доменов шириной 33 нанометра и толщиной стенок 7 нанометров, ориентированных под прямым углом друг к другу и под 45 градусов к оси кристалла, вдоль которой прикладывалось напряжение смещения. Физики циклично изменяли напряжение по пилообразному закону, чтобы исследовать гистерезис в такой системе. Они отслеживали длину пары игольчатых доменов, которые отличались тем, насколько близко их кончик располагался к стенке перпендикулярных им доменов.
Записанные графики демонстрировали характерные гистерезисные петли, однако для домена, упирающегося в стенку другого домена, петля и соответствующие скачки Баркгаузена оказались более выраженными. Физики повторили измерения для более медленного изменения напряжения и получили похожий результат. Они интерпретировали разницу в характере изменения доменных свойств через различные механизмы роста и уменьшения доменов. В случае, когда острие одного домена упирается в стенку соседнего, этот процесс сопровождается сильными локальными деформациями и деполяризующими полями, вызванными таким соседством, в другом же случае роль играют дефекты решетки.
Авторы изучили эту разницу в контексте скорости увеличения и уменьшения длины доменов. Эта скорость оказалась более плавной для доменов, чья динамика определяется решеточными дефектами, и более резкой для доменов, взаимодействующих с другими доменами. Они также обнаружили процессы релаксации доменов, протекающих в отсутствии поля с небольшой скоростью. Вероятно, именно такие процессы ответственны за старение и ползучесть сегнетоэлектрических материалов.
Исследователи отмечают, что полученная ими визуализация в реальном времени демонстрирует реакцию отдельных доменов на электрическое поле, что поможет лучше понять свойства сегнетоэлектриков на макроскопическом уровне. Вместе с тем, понимание деталей домен-доменных взаимодействий требует дополнительного изучения.
Физики активно изучают сегнетоэлектричество в поисках практических приложений. Мы уже рассказывали, как они предложили использовать его для увеличения плотности записи информации и объединили его с ферромагнетизмом при комнатной температуре.
Марат Хамадеев