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

Resum

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.

Data del Ajut	24 de maig 2022
Idioma original	Anglès
Supervisor	Jordi Sort Viñas (Tutor/a), Domingo Marimon, Neus (Director/a) & Catalán Bernabé, Gustau (Director/a)