Comportamiento de las Paredes de Dominio Ferroeléctricas ...
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Propiedades geométricas de paredes de dominio en materiales ferroeléctricos
Sebastian BustingorryCONICET – Centro Atómico Bariloche
TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014
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Alejandro Kolton, Ezequiel Ferrero(CAB)
Jill Guyonnet, Patrycja ParuchElizabeth Agoritzas, Therry Giamarchi
(DPMC, U. Ginebra, Suiza)
TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014
Propiedades geométricas de paredes de dominio en materiales ferroeléctricos
Sebastian BustingorryCONICET – Centro Atómico Bariloche
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
Pared de dominio magnética
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¿Por qué estudiar líneas elásticas?
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
Pared de dominio magnéticaFracturas
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¿Por qué estudiar líneas elásticas?
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
Pared de dominio magnéticaFracturasLínea de pegado
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¿Por qué estudiar líneas elásticas?
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
Pared de dominio magnéticaFracturasLínea de pegadoDepósito de partículas/
crecimiento de interfases
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¿Por qué estudiar líneas elásticas?
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
Pared de dominio magnéticaFracturasLínea de pegadoDepósito de partículas /
crecimiento de interfasesDinámica del frente celular
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¿Por qué estudiar líneas elásticas?
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
Pared de dominio magnéticaFracturasLínea de pegadoDepósito de partículas /
crecimiento de interfasesDinámica del frente celularCrecimiento de colonias bacterianasFrente de quemadoSuperficies vecinalesTransición de mojadoTransición de depinningTerremotosIncendiosGeomorfologíaetc....
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¿Por qué estudiar líneas elásticas? UNIVERSALIDAD!!
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Descripción efectiva a partir de ingredientes mínimos
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Descripción efectiva a partir de ingredientes mínimos
Punto de partida: EW + KPZ + fuerza externa + temperatura + ruido congelado
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Descripción efectiva a partir de ingredientes mínimos
EW no-armónico KPZ largo alcance ruido congelado ruido
Punto de partida: EW + KPZ + fuerza externa + temperatura + ruido congelado
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Propiedades geométricas
Nos pueden dar información sobre interacciones físicas relevantes
Competencia entre elasticidad/temperatura/desorden
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Propiedades geométricas
Nos pueden dar información sobre interacciones físicas relevantes
Competencia entre elasticidad/temperatura/desorden
z+r
Función de rugosidad: función de correlación de desplazamientos
z
: exponente de rugosidad
¿Cómo caracterizamos la geometría?
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Propiedades geométricas
Función de rugosidad: exponente de rugosidad
Lemerle et al, PRL, 80, 849 1998 Mourot et al, PRE, 71, 016136, 2005
pared de dominio ferromagnética fracturas (cemento)
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Propiedades geométricas
Nos pueden dar información sobre interacciones físicas relevantes
Competencia entre elasticidad/temperatura/desorden
elasticidad fluctuaciones térmicas
la interfase quiere ser plana la interfase fluctúa aleatoriamente
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LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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elasticidad desorden
la interfase quiere ser rugosa,se gana energía aprovechandopaisaje energético desordenado
la interfase quiere ser plana
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desorden
LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Propiedades geométricas
Nos pueden dar información sobre interacciones físicas relevantes
Competencia entre elasticidad/temperatura/desorden
elasticidad temperatura
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desorden
LÍNEAS ELASTICAS EN MEDIOS DESORDENADOS
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Propiedades geométricas
Nos pueden dar información sobre interacciones físicas relevantes
Competencia entre elasticidad/temperatura/desorden
elasticidad temperatura
EW no-armónico KPZ largo alcance ruido congelado ruido
exponente de rugosidad = información sobre la física relevante
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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Pup
Pdown
T > TC
T < TC
F
P
A
B
O
parámetro de orden: polarización eléctricacampo conjugado: campo eléctrico
Pup
Pdown
T > TC
T < TC
F
P
A
B
O
polarización eléctrica local:el catión B fuera del centro
Diagrama de energía libre(Landau-Ginzburg,
transición de segundo orden)Diagrama de histéresis P-E
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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Histéresis de la polarización anteun campo eléctrico aplicado
campo coercitivo
La polarización puede cambiarse de forma reversible aplicando un campo eléctrico
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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+ - +
- + -
Paredes de dominio (interfases)
Pdown
A
B O
Pup
A
B
O
Familia de perovskitas ABO3
paredes de dominio en películas delgadas de PZT
Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 espesor = 60nm
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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¿Cómo medir la polarización? Microscopía de fuerza atómica PFM (piezoresponse force microscopy)
topografía superficial fase PFM: estado de polarización amplitud PFM: interfase
Pup
Pdown
500 nm
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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fase PFM
180°
0
Los dominios se pueden escribir con PFM!!!ultra-alto-vacío, temperatura, atmósfera
intensidad del campo eléctrico, duración de aplicación
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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P. Paruch et al., Phys. Rev. Lett. 94, 197601 (2005)
Estudios previos en PZT
presión y temperatura ambiente
paredes de dominio bidimensionalescon interacciones dipolares
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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Previous studies
P. Paruch et al., Phys. Rev. B 85, 214115 (2012)
Estudios previos en PZT
tratamientos térmicos
diferentesatmósferas(O2, Ar)
crossover 2D - 1D
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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SrTiO3 substrato:
DyScO3 substrato:
● dislocaciones, defectos extendidos● alta densidad de vacancias de oxígeno
● alta calidad de cristales● pocas vacancias de oxígeno
5 μm
G.-L. Yuan et al., Appl. Phys. Lett. 95, 012904 (2009)
4.8 μm
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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5 μm
4.8 μm
SrTiO3 (+ des.)
DyScO3 (- des.)
condicionesambiente
ultra-alto-vacío
desorden apantallamientodipolar
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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Kalinin et al., Phys. Rev. Lett. 100, 155703(2008)Rodriguez et al., Appl. Phys. Lett. 93, 142901 (2008)Jesse et al, Nat. Mater. 7, 209 (2008)
Centros de pinning localy fluctuaciones intensidad/tipo de desorden
TEM
película delgadaPZT (ferroeléctrico)
(60 nm)
fase PFM
180°
0
control:ultra-alto-vacíocondiciones ambiente
preguntas:- rol de los defectos fuertes- exponente de rugosidad- mono-afinidad
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MONO-AFINIDAD
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Santucci et al., Phys. Rev. E. 75, 016104 (2007)
PDF de desplazamientos correlacion de desplazamientos
collapso ∀ nmono-afinidad:mono-afinidad: distribución Gaussiana
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TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014
Santucci et al., Phys. Rev. E. 75, 016104 (2007)
PDF de desplazamientos correlacion de desplazamientos
collapso ∀ nmono-afinidad:mono-afinidad: distribución Gaussiana
Si P(Δu(r)) es Gaussiana, entonces colapsa a todo orden n
MONO-AFINIDAD
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● polímero dirigido en 1D
● equilibrio
● desorden débil
se utiliza como sistema de referencia para comparar con los experimentos
● PDF de desplazamientos Gaussiana
● exponente de rugosidad:
MONO-AFINIDAD
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Polímero dirigido
● Distribución Gaussiana
● Mono-afinidad
tamaño del sistema = 2048
colapso = Gaussianamono-afinidad
efectos de tamaño finito
MONO-AFINIDAD
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fase PFM
180°
0
MONO-AFINIDAD
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colapsodistribución Gaussianamono-afinidad
500 nm
MONO-AFINIDAD
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500 nm
MONO-AFINIDAD
NO hay colapsoNO es Gaussianamono-afinidad?
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NO hay colapsoNO es Gaussianamono-afinidad?
500 nm
?
MONO-AFINIDAD
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se recupera el colapso!cuando no se considerael defecto central
500 nm
MONO-AFINIDAD
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se recupera el colapso!cuando no se considerael defecto central
500 nm
MONO-AFINIDAD
Estudiaremos el exponente de rugosidad solode paredes de dominio Gaussianas (mono-afinidad)
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EXPONENTE DE RUGOSIDAD
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¿promedio la función rugosidad?
¿promedio el exponente?
?
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TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014
y (si )
EXPONENTE DE RUGOSIDAD
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TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014
L = 2048 L = 512
L = 2048
EXPONENTE DE RUGOSIDAD
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TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014
Mean value = ζ = 0.64FWHM = 0.18Skewness = -0.36
promedio de la función rugosidad distribución del exponente de rugosidad
Los promedios convergen al promediar N ~ 40 paredes de dominio mono-afines
?
EXPONENTE DE RUGOSIDAD
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ζ = 0.57σ = 0.05FWHM = 0.12
ζavg
= 0.57
estudios previos
● pared de dominio 2D con interacciones dipolares: ζ = 0.26
● 2D-1D crossover con ciclado térmico: ζ = 0.5-0.6Paruch et al., Phys. Rev. B 85, 214115 (2012)
Paruch et al., Phys. Rev. Lett. 94, 197601 (2005)
vacío
condiciones ambiente
EXPONENTE DE RUGOSIDAD
40 paredesde dominios Gaussianas
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TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014
ζ = 0.57σ = 0.05FWHM = 0.12
ζavg
= 0.57
estudios previos
● pared de dominio 2D con interacciones dipolares: ζ = 0.26
● 2D-1D crossover con ciclado térmico: ζ = 0.5-0.6Paruch et al., Phys. Rev. B 85, 214115 (2012)
Paruch et al., Phys. Rev. Lett. 94, 197601 (2005)
vacío
condiciones ambiente
EXPONENTE DE RUGOSIDAD
40 paredesde dominios Gaussianas
?
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DESORDEN Y CONDICIONES AMBIENTALES
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5 μm
4.8 μm
SrTiO3 (+ des.)
DyScO3 (- des.)
condicionesambiente
ultra-alto-vacío
desorden apantallamientodipolar
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STO UHV STO amb DSO UHV DSO amb
DESORDEN Y CONDICIONES AMBIENTALES
- des.+ temp
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STO UHV
STO amb
DSO UHV
DSO amb
DESORDEN Y CONDICIONES AMBIENTALES
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TREFEMAC – Bahía Blanca – Mayo 2014
STO UHV
STO amb
DSO UHV
DSO amb
UHV: no hay H2Oel efecto dipolar es más efectivo?
DESORDEN Y CONDICIONES AMBIENTALES
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modelo Phi4
DESORDEN Y CONDICIONES AMBIENTALES
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CONCLUSIONES
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Distribución Gaussianamono-afinidad
Promediar adecuadamente
ζavg
= 0.57 equilibrio
importancia de efectosdipolares en UHVexponente?
la geometría contieneinformación importante
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PAREDES DE DOMINIO EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS
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