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 Piezoresponse force microscopy of ferroelectric relaxors
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/3609

title: Piezoresponse force microscopy of ferroelectric relaxors
other titles: Microscopia de força piezoeléctrica de relaxors ferroeléctricos
authors: Kiselev, Dmitry
advisors: Kholkine, Andrei
keywords: Engenharia de materiais
Materiais ferroeléctricos - Propriedades
Propriedades dieléctricas
Propriedades ferroeléctricas
Propriedades piezoeléctricas
Relaxores ferroeléctricos
Perovsquite
issue date: 2010
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: Nesta tese, ferroeléctricos relaxor (I dont know uf the order is correct) de base Pb das familias (Pb,La)(Zr,Ti)O3 (PLZT), Pb(Mg1/3,Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), Pb(Zn1/3,Nb2/3)O3-PbTiO3 (PZN-PT) foram investigados e analisados. As propriedades ferroeléctricas e dieléctricas das amostras foram estudadas por métodos convencionais de macro e localmente por microscopia de força piezoeléctrica (PFM). Nos cerâmicos PLZT 9.75/65/35 o contraste da PFM à escala nanometrica _ foi investigado em função do tamanho e orientação dos grãos. Apurou-se que a intensidade do sinal piezoeléctrico das nanoestruturas diminui com o aumento da temperatura e desaparece a 490 K (La mol. 8%) e 420 K (9,5%). Os ciclos de histerese locais foram obtidos em função da temperatura. A evolução dos parâmetros macroscópicos e locais com a temperatura de superfície sugere um forte efeito de superfície nas transições de fase ferroeléctricas do material investigado. A rugosidade da parede de domínio é determinada por PFM para a estrutura de domínio natural existente neste ferroeléctrico policristalino. Além disso, os domínios ferroeléctricos artificiais foram criados pela aplicação de pulsos eléctricos à ponta do condutor PFM e o tamanho de domínio in-plane foi medido em função da duração do pulso. Todas estas experiências levaram à conclusão de que a parede de domínio em relaxors do tipo PZT é quase uma interface unidimensional. O mecanismo de contraste na superfície de relaxors do tipo PLZT é medido por PFMAs estruturas de domínio versus evolução da profundidade foram estudadas em cristais PZN-4,5%PT, com diferentes orientações através da PFM. Padrões de domínio irregulares com tamanhos típicos de 20-100 nm foram observados nas superfícies com orientação <001> das amostras unpoled?. Pelo contrário, os cortes de cristal <111> exibem domínios regulares de tamanho mícron normal, com os limites do domínio orientados ao longo dos planos cristalográficos permitidos. A existência de nanodomínios em cristais com orientação <001> está provisoriamente (wrong Word) atribuída à natureza relaxor de PZN-PT, onde pequenos grupos polares podem formar-se em coindições de zero-field-cooling (ZFC). Estes nanodomínios são considerados como os núcleos do estado de polarização oposta e podem ser responsáveis pelo menor campo coercitivo para este corte de cristal em particular. No entanto, a histerese local piezoelétrica realizada pelo PFM à escala nanométrica indica uma mudança de comportamento de PZN-PT semelhante para ambas as orientações cristalográficas investigadas. A evolução das estruturas de domínio com polimento abaixo da superfície do cristal foi investigada. O domínio de ramificações e os efeitos de polarização de triagem após o polimento e as medições de temperatura têm sido estudados pela PFM e pela análise SEM. Além disso, verificou-se que a intensidade do sinal piezoeléctrico a partir das estruturas de nanodomínio diminui com o aumento da temperatura, acabando por desaparecer aos 430 K (orientaçáo <111>) e 470 K (orientação <100>). Esta diferença de temperatura nas transições de fase local em cristais de diferentes orientações é explicada pelo forte efeito de superfície na transição da fase ferroelétrica em relaxors.A comutação da polarização em relaxor ergódico e nas fases ferroeléctricas do sistema PMN-PT foram realizadas pela combinação de três métodos, Microscopia de Força Piezoeléctrica, medição de um único ponto de relaxamento eletromecânico e por ultimo mapeamento de espectroscopia de tensão. A dependência do comportamento do relaxamento na amplitude e tempo da tensão de pulso foi encontrada para seguir um comportamento logarítmico universal com uma inclinação quase constante. Este comportamento é indicativo da progressiva população dos estados de relaxamento lento, ao contrário de uma relaxação linear na presença de uma ampla distribuição do tempo de relaxamento. O papel do comportamento de relaxamento, da não-linearidade ferroeléctrica e da heterogeneidade espacial do campo na ponta da sonda de AFM sobre o comportamento do ciclo de histerese é analisada em detalhe. Os ciclos de histerese para ergódica PMN- 10%PT são mostrados como cineticamente limitados, enquanto que no PMN, com maior teor de PT, são observados verdadeiros ciclos de histerese ferroeléctrica com viés de baixa nucleação.

In this thesis, Pb-based relaxor ferroelectrics of the (Pb,La)(Zr,Ti)O3 (PLZT), Pb(Mg1/3,Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), Pb(Zn1/3,Nb2/3)O3-PbTiO3 (PZN-PT) families were investigated and analyzed. Ferroelectric and dielectric properties of the samples were studied by conventional macroscopic methods and locally by piezoresponse force microscopy (PFM). In PLZT 9.75/65/35 ceramics the nanoscale PFM contrast was investigated as a function of grain size and grain orientation. It was found that the intensity of piezoresponse signal from nanodomain structure decreases with temperature and it disappears at 490 K (La mol. 8%) and 420 K (9.5%). Local hysteresis loops were obtained as a function of temperature. The evolution of the macroscopic and local parameters with temperature suggests strong surface effect on ferroelectric phase transition in the investigated materials. The domain wall roughness is determined with PFM for the natural domain structure existing in this polycrystalline ferroelectric. Besides, artificial ferroelectric domains were created by application of voltage pulses to the conducting PFM tip, and the in-plane domain size was measured as a function of pulse duration. All these experiments result in the conclusion that the domain wall in PZT-type relaxors is quasi one-dimensional interface. The mechanism of the surface contrast in PLZT-type relaxors is uncovered by PFM. Domain structures vs. depth evolution was studied in PZN-4.5%PT crystals with different orientation via PFM. Irregular domain patterns with the typical sizes 20-100 nm were observed on the (001)-oriented surfaces of unpoled samples. On the contrary, (111) crystal cuts exhibit normal micron-size regular domains with the domain boundaries directed along allowed crystallographic planes. The existence of nanodomains in (001)-oriented crystals is tentatively attributed to the relaxor nature of PZN-PT where small polar clusters may form under zero-field-cooling (ZFC) conditions. These nanodomains are considered as the nuclei of the opposite polarization state and can be responsible for the smaller coercive field for this particular crystal cut. However, local piezoelectric hysteresis performed by PFM on the nanometer scale indicates similar switching behavior of PZN-PT for both investigated crystallographic orientations. Evolution of the domain structures with polishing below the crystal surface has been investigated. The domain branching and polarization screening effects after polishing and temperatures measurements have been studied by PFM and SEM analysis. In addition, it was found what the intensity of piezoresponse signal from nanodomain structures decreases with temperature and finally disappears at 430 K (<111> orientation) and 470 K (<100> orientation). This difference of the temperature of local phase transitions for crystals of different orientaions is explained by strong surface effect on ferroelectric phase transition in relaxors. Polarization switching in ergodic relaxor and ferroelectric phases in the PMNPT system is studied using Piezoresponse Force Microscopy, single point electromechanical relaxation measurements, and voltage spectroscopy mapping. The dependence of relaxation behavior on voltage pulse amplitude and time was found to follow a universal logarithmic behavior with a nearly constant slope. This behavior is indicative of the progressive population of slow relaxation states, as opposed to a linear relaxation in the presence of a broad relaxation time distribution. The role of relaxation behavior, ferroelectric non-linearity, and the spatial inhomogeneity of the tip field on hysteresis loop behavior is analyzed in detail. The hysteresis loops for ergodic PMN-10%PT are shown to be kinetically limited, while in PMN with larger PT content, true ferroelectric hysteresis loops with low nucleation biases are observed.
description: Doutoramento em Ciência e Engenharia de Materiais
URI: http://hdl.handle.net/10773/3609
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CV - Teses de doutoramento

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