Mechanical and electromechanical properties of ferroelectrics at the nanoscale studied by Atomic Force Microscopy

Abstract

La microscòpia de força piezoresposta (PFM) és una eina poderosa per a la caracterització electromecànica de materials ferroelèctrics. En aquest mode de microscòpia de força atòmica (AFM), una tensió de corrent alterna externa excita la mostra i es mesura la seva resposta piezoelèctrica, proporcionant informació sobre la magnitud, l’orientació i el signe de la polarització ferroelèctrica. Tanmateix, com mostro en aquesta tesi, el senyal de freqüència de ressonància de contacte PFM no depèn només de les propietats electromecàniques dels ferroelèctrics, sinó que també es veu afectat per les propietats mecàniques del material a escala nanomètrica. La recerca desenvolupada en aquesta tesi se centra en la identificació i quantificació de la resposta mecànica de materials ferroelèctrics i la seva contribució a la resposta electromecànica total. Aquesta tesi mostra com la resposta mecànica dels ferroelèctrics es pot detectar i quantificar de manera no destructiva mitjançant la Microscòpia de Força Atòmica de Ressonància de Contacte (CR-AFM). Aquesta tècnica s’ha utilitzat per quantificar la resposta mecànica dels dominis, que depèn tant de l’orientació com del signe de la seva polarització. Aquesta asimetria mecànica entre dominis de polarització oposada permet el concepte de lectura mecànica de la polarització ferroelèctrica. A més dels dominis ferroelèctrics, també es van investigar les parets del domini. Les propietats mecàniques de les parets del domini ferroelèctric de 180º són clarament diferents -més suaus- a les dels dominis adjacents. Després d’haver mesurat les propietats mecàniques tant dels dominis ferroelèctrics com de les parets del domini mitjançant CR-AFM, les tècniques AFM d’excitació de bandes s’utilitzen per comparar mesures mecàniques i electromecàniques en materials ferroelèctrics. Els resultats mostren que el senyal de freqüència de ressonància de contacte de les mesures PFM es pot utilitzar per extreure informació sobre la resposta purament mecànica dels materials ferroelèctrics, concloent que és possible distingir les propietats mecàniques dels ferroelèctrics mitjançant mesures electromecàniques.

La microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) es una poderosa herramienta para la caracterización electromecánica de materiales ferroeléctricos. En este modo de microscopía de fuerza atómica (AFM), un voltaje de CA externo excita la muestra y se mide su respuesta piezoeléctrica, proporcionando información sobre la magnitud, la orientación y el signo de la polarización ferroeléctrica. Sin embargo, como muestro en esta tesis, la señal de frecuencia de resonancia de contacto PFM no depende solo de las propiedades electromecánicas de los ferroeléctricos, sino que también se ve afectada por las propiedades mecánicas del material a nanoescala. La investigación desarrollada en esta tesis se centra en la identificación y cuantificación de la respuesta mecánica de materiales ferroeléctricos y su contribución en la respuesta electromecánica total. Esta tesis muestra cómo la respuesta mecánica de los ferroeléctricos puede ser detectada y cuantificada de forma no destructiva utilizando Microscopía de Fuerza Atómica de Resonancia de Contacto (CR-AFM). Esta técnica se ha utilizado para cuantificar la respuesta mecánica de los dominios, que depende tanto de la orientación como del signo de su polarización. Esta asimetría mecánica entre dominios de polarización opuesta permite el concepto de lectura mecánica de la polarización ferroeléctrica. Además de los dominios ferroeléctricos, también se investigaron las paredes de dominio. Las propiedades mecánicas de las paredes del dominio ferroeléctrico de 180º resultan ser claramente diferentes -más suaves- que los dominios adyacentes. Después de haber medido las propiedades mecánicas tanto de los dominios ferroeléctricos como de las paredes del dominio utilizando CR-AFM, las técnicas de AFM de excitación de banda se utilizan para comparar las mediciones mecánicas y electromecánicas en materiales ferroeléctricos. Los resultados muestran que la señal de frecuencia de resonancia de contacto de las mediciones de PFM se puede utilizar para extraer información sobre la respuesta puramente mecánica de los materiales ferroeléctricos, concluyendo que es posible distinguir las propiedades mecánicas de los ferroeléctricos a través de mediciones electromecánicas.

Piezoresponse force microscopy (PFM) is a powerful tool for the electromechanical characterization of ferroelectric materials. In this atomic force microscopy (AFM) mode, an external ac voltage excites the sample and its piezoelectric response is measured, providing information about the magnitude, orientation and sign of ferroelectric polarization. However, as I show in this thesis, the PFM contact resonance frequency signal does not depend only on the electromechanical properties of ferroelectrics, but is also affected by the mechanical properties of the material at the nanoscale. The research developed in this thesis focuses on the identification and quantification of mechanical response of ferroelectric materials and their contribution on the total electromechanical response. This thesis shows how the mechanical response of ferroelectrics can be detected and quantified in a non-destructive way using Contact Resonance Atomic Force Microscopy (CR-AFM). This technique has been used to quantify the mechanical response of domains, which depends both on the orientation and on the sign of their polarization. This mechanical asymmetry between oppositely-polarized domains enables the concept of mechanical reading of ferroelectric polarization. In addition to ferroelectric domains, domain walls were also investigated. The mechanical properties of 180º ferroelectric domain walls are found to be distinctly different -softer- than the adjacent domains. After having measured the mechanical properties both of ferroelectric domains and domain walls using CR-AFM, Band Excitation AFM techniques are used to compare mechanical and electromechanical measurements on ferroelectric materials. The results show that the contact resonance frequency signal of PFM measurements can be used to extract information about the purely mechanical response of ferroelectric materials, concluding that it is possible to distinguish mechanical properties of ferroelectrics through electromechanical measurements.