Effect of flexoelectricity on the nano-mechanical properties of ferroelectrics
Los materiales ferroeléctricos pueden tener diferentes respuestas electromecánicas, por ejemplo la piezoelectricidad, polarización inducida cuando hay deformación homogénea, y la flexoelectricidad, polarización inducida cuando hay deformación inhomogénea. Dado que la flexoelectricidad está relaciona...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2018 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:190435 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/190435 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Materials Piezoelectricitat Ferroelectricitat Nanoelectrònica |
| Sumario: | Los materiales ferroeléctricos pueden tener diferentes respuestas electromecánicas, por ejemplo la piezoelectricidad, polarización inducida cuando hay deformación homogénea, y la flexoelectricidad, polarización inducida cuando hay deformación inhomogénea. Dado que la flexoelectricidad está relacionada con los gradientes de deformación, a la nanoescala su efecto es tan o más grande que la piezoelectricidad. La investigación desarrollada en ésta tesis se enfoca en estudiar la interacción entre estas dos propiedades cuando compiten y/o cuando colaboran entre ellas, y de cómo ésta interacción afecta las propiedades mecánicas de los ferroeléctricos. Hasta ahora se ha creído que las propiedades mecánicas son invariantes con respecto a al espacio de inversión, es decir que medirlas en una cara o en la opuesta no debería cambiar su valor. Sin embargo, ésta tesis demuestra que, en presencia de gradientes de deformación, ésta simetría se rompe, ya que tanto las propiedades mecánicas como la respuesta mecánica de los ferroeléctricos depende del signo de su polarización. Éste resultado representa un cambio en la teoría establecida hasta ahora y ofrece un nuevo camino para explorar en la física de fractura de sólidos. Esta tesis está distribuida de la siguiente manera: El capítulo 1 es una introducción a la física de las propiedades mecánicas, la piezoelectricidad y la flexoelectricidad, mientras que el capítulo 2 describe las técnicas experimentales utilizadas para realizar las medidas de las propiedades mecánicas y las respuestas mecánicas requeridas para el proyecto. En el capítulo 3, se midió y analizó las propiedades mecánicas de cristales ferroeléctricos de LiNbO3 con la polarización perpendicular a la superficie y en direcciones opuesta, empleando la técnica de nanoindentación. La inversión de la polarización fue realizada de dos maneras distintas (1) manualmente, es decir, girando el cristal 180º para acceder a la cara opuesta del mismo, y (2) utilizando un cristal periódicamente polarizado, de ésta manera se tuvo acceso a polarizaciones opuestas desde una misma cara. Se observó que, independientemente del método de inversión, todas las propiedades mecánicas son asimétricas con respecto al espacio de inversión. En el capítulo 4, a partir de la ecuación libre de los ferroeléctricos, se desarrolló un modelo para determinar el coeficiente de flexoacoplamiento empleando únicamente las propiedades mecánicas del material. A partir de éste modelo y los datos obtenidos en el capítulo 3, se obtuvo que el valor de dicho coeficiente para LiNbO3 ̃ 40 V, un valor más realista que el medido por el método estándar e incluso más cercano al predicho por Kogan y Tagantsev. En el capítulo 5, el objetivo era estudiar el efecto de la flexoelectricidad en la propagación de grietas y la tenacidad de factura en cristales ferroeléctricos de RKTP con la polarización alineada en el plano. Se realizaron grietas paralelas, antiparalelas y perpendiculares a la polarización y Se demostró que la propagación de la grietas esta intrínsecamente relacionado con la dirección de polarización en la que se propaga, ya que la flexoelectricidad disminuye la tenacidad de fractura cuando es paralela a la polarización ferroeléctrica, y por ende las grietas son mas largas. En el capítulo 6, se plantea una posible aplicación como consecuencia de la asimetría en las propiedades mecánicas del capítulo 3: leer la polarización solamente por medios mecánicos. Para probar éste nuevo concepto, se utilizó CRF en el cristal periódicamente polarizado, obteniendo una lectura en concordancia con los resultados del capítulo 3. Además se mostró que al disminuir el volumen ferroeléctrico, es decir con películas delgadas, la resolución de lectura se ve incrementada considerablemente. Finalmente en el capítulo 7 se concluye ésta tesis y plantean las posibles líneas de trabajos futuros. |
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