Domain walls and their conduction properties in ferroelectric BiFeO3 thin films

Geleidingseigenschappen BiFeO3 onderzocht In haar proefschrift behandelt Saeedeh Farokhipoor geleidingseigenschappen van BiFeO3, een materiaal waarvan typisch isolerend gedrag verwacht mag worden. Het onderzoek naar BiFeO3 staat recent in de belangstelling. Het is namelijk één van de weinige materialen die bij kamertemperatuur een sterke materiaalrespons vertoont in zowel een aangelegd elektrisch- als een magnetisch veld. BiFeO3 kan in dunne lagen onder roosterspanning worden gegroeid op een substraat met een kristalrooster dat een fractie groter of kleiner is. Zo kunnen kristaldomeinen (gebiedjes met verschillende kristaloriëntaties) op controleerbare wijze worden gevormd. Deze domeinen verminderen de elastische energie door specifieke patronen te vormen van loodrechte domeinen met periodieke domeinwanden. Dit is van belang, aangezien de domeinwanden van BiFeO3 een hogere geleiding vertonen, vergeleken met de domeinen zelf. Dunne films kunnen dus eigenlijk worden beschouwd als zelf geassembleerde nano-devicestructuren die gevormd worden door isolerende domeinen met een grootte van ongeveer 200 nm (500 keer kleiner dan een mensenhaar) en geleidende domeinwanden. We hebben de mechanismen onderzocht die geleiding in BiFeO3 domeinwanden veroorzaken met behulp van een microscoop met metalen elektrodenaald die op atomaire schaal het oppervlak aftast. We hebben ontdekt dat elektronen ter hoogte van de domeinwanden een verlaagde energiebarrière ondervinden, omdat juist daar een sterk tekort aan zuurstofatomen in het BiFeO3 rooster heerst. Dankzij dit inzicht zijn we in staat om het geleidingsniveau van domeinwanden sterk te beïnvloeden. Bovendien kunnen de domeinen zelf geleidend gemaakt worden door de elektrische polarisatie van BiFeO3 te schakelen (het zogenaamde ferro-elektrische weerstand schakelen). Dit effect maak BiFeO3 zeer geschikt voor permanente geheugenopslag.