Вплив флексоелекричного ефекту на гiстерезисну динамiку локального електромеханiчного вiдгуку напiвпровiдникiв з iонно-електронною провiднiстю
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe62.04.0328Ключові слова:
flexoelectric effect, mixed ionic-electronic moderate conductors, thin films, nanoparticles, electrochemical strain microscopyАнотація
Сильний зв’язок мiж електрохiмiчними потенцiалами, концентрацiєю електронiв, iонiв i деформацiй, зпричинених флексоефектом є поширеною ознакою напiвпровiдникiв з iонно-електронною провiднiстю – матерiалiв, якi вибирають для пристроїв, починаючи вiд елементiв опору та пам’ятi i до iонних батарей i паливних елементiв. В статтi аналiзуються вiдповiднi механiзми, якi регулюють змiни концентрата змiщення (розширення Вегарда, деформацiйний потенцiал i флексоефект). Цiкаво, що внесок флексоелектричного зв’язку в локальне змiщення поверхнi напiвпровiдникiв є складним i динамiчним ефектом, який може призвести до рiзкої змiни механiчного вiдгуку, залежно вiд значень флексоелектричних коефiцiєнтiв i iнших зовнiшнiх умов. Чисельне моделювання показало, що вплив флексоелектричного ефекту на механiчний вiдгук може змiнюватися вiд простого, до появи додаткової деформацiї, що призводить до порiвняно невеликої змiни форми петлi гiстерезису i змiни орiєнтацiї, i до появи складних скручених петель гiстерезису.
Посилання
A. Sawa. Resistive switching in transition metal oxides. Materials Today 11, 28 (2008).
https://doi.org/10.1016/S1369-7021(08)70119-6
B. Magyari-K¨ope, M. Tendulkar, S.-G. Park, H.D. Lee, Y. Nishi. Resistive switching mechanisms in random access memory devices incorporating transition metal oxides: TiO2, NiO and Pr0.7Ca0.3MnO3. Nanotechnology 22, 254029 (2011).
https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/25/254029
D.-Sh. Shang, L. Shi, J.-R. Sun, B.-G. Shen. Local resistance switching at grain and grain boundary surfaces of polycrystalline tungsten oxide films. Nanotechnology 22, 254008 (2011).
https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/25/254008
Y. Kim, S. Kelly A. Morozovska, E.K. Rahani, E. Strelcov, E. Eliseev, S. Jesse, M. Biegalski, N. Balke, N. Benedek, D. Strukov, J. Aarts, I. Hwang, S. Oh, J.S. Choi, T. Choi, B.H. Park, V. Shenoy, P. Maksymovych, S. Kalinin. Mechanical control of electroresistive switching. Nano Lett. 13, 4068 (2013).
https://doi.org/10.1021/nl401411r
R. Waser, M. Aono. Nanoionics-based resistive switching memories. Nature Mater. 6, 833 (2007).
https://doi.org/10.1038/nmat2023
K. Szot, M. Rogala, W. Speier, Z. Klusek, A. Besmehn, R. Waser. TiO2 – a prototypical memristive material. Nanotechnology 22, 254001 (2011).
https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/25/254001
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, S.V. Kalinin. Electromechanical probing of ionic currents in energy storage materials. Appl. Phys. Lett. 96, 222906 (2010)
https://doi.org/10.1063/1.3446838
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, N. Balke, S.V. Kalinin. Local probing of ionic diffusion by electrochemical strain microscopy: Spatial resolution and signal formation mechanisms. J. Appl. Phys.108, 053712 (2010).
https://doi.org/10.1063/1.3460637
N. Balke, S. Jesse, A.N. Morozovska, E. Eliseev, D.W. Chung, Y. Kim, L. Adamczyk, R.E. Garcimatha, N. Dudney, S.V. Kalinin. Nanoscale mapping of ion diffusion in a lithium-ion battery cathode. Nature Nanotechnol. 5, 749 (2010).
https://doi.org/10.1038/nnano.2010.174
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, O.V. Varenyk, Y. Kim, E. Strelcov, A. Tselev, N.V. Morozovsky, S.V. Kalinin. Nonlinear space charge dynamics in mixed ionic-electronic conductors: Resistive switching and ferroelectric-like hysteresis of electromechanical response. J. Appl. Phys. 116, 066808 (2014).
https://doi.org/10.1063/1.4891346
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, A.K. Tagantsev, S.L. Bravina, L.-Q. Chen, S.V. Kalinin. Thermodynamics of electromechanically coupled mixed ionic-electronic conductors: Deformation potential, Vegard strains, and flexoelectric effect. Phys. Rev. B 83, 195313 (2011).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.195313
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, G.S. Svechnikov, S.V. Kalinin. Nanoscale electromechanics of paraelectric materials with mobile charges: Size effects and nonlinearity of electromechanical response of SrTiO3 films. Phys. Rev. B 84, 045402 (2011).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.045402
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, S.V. Kalinin. Electrochemical strain microscopy with blocking electrodes: The role of electromigration and diffusion. J. Appl. Phys. 111, 014114 (2012).
https://doi.org/10.1063/1.3675508
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, S.L. Bravina, F. Ciucci, G.S. Svechnikov, L.-Q. Chen, S.V. Kalinin. Frequency dependent dynamical electromechanical response of mixed ionic-electronic conductors. J. Appl. Phys. 111, 014107 (2012).
https://doi.org/10.1063/1.3673868
L.O. Chua. Memristor – The missing circuit element. IEEE Trans. Circuit Theory 18, 507 (1971).
https://doi.org/10.1109/TCT.1971.1083337
L.O. Chua, S.M. Kang. Memristive devices and systems. Proc. IEEE 64, 209 (1976).
https://doi.org/10.1109/PROC.1976.10092
D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams. The missing memristor found. Nature 453, 80 (2008).
https://doi.org/10.1038/nature06932
D.B. Strukov, J.L. Borghetti, R.S. Williams. Coupled ionic and electronic transport model of thin-film semiconductor memristive behavior. Small 5 (9), 1058 (2009).
https://doi.org/10.1002/smll.200801323
Y. Gil, O.M. Umurhan, I. Riess. Properties of solid state devices with mobile ionic defects. Part I: The effects of motion, space charge and contact potential in metal|semiconductor|metal devices. Solid State Ionics 178, 1 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.ssi.2006.10.024
Y. Gil, O.M. Umurhan, I. Riess. Properties of a solid state device with mobile dopants: Analytic analysis for the thin film device. J. Appl. Phys. 104, 084504 (2008).
https://doi.org/10.1063/1.2993618
D. Seol, S. Park, O.V. Varenyk, S. Lee, Ho Nyung Lee, Anna N. Morozovska, Y. Kim. Determination of ferroelectric contributions to electromechanical response by frequency dependent piezoresponse force microscopy. Scientific Reports 6, 30579 (2016).
https://doi.org/10.1038/srep30579
S.M. Allen, J.W. Cahn. A microscopic theory for antiphase boundary motion and its application to antiphase domain coarsening. Acta Metallurgica 27 (6), 1085 (1979).
https://doi.org/10.1016/0001-6160(79)90196-2
X. Zhang, W. Shyy, A. M. Sastry. Numerical simulation of intercalation-induced stress in Li-ion battery electrode particles. J. Electrochem. Soc. 154, A910 (2007).
https://doi.org/10.1149/1.2759840
M. Tang, H.Y. Huang, N. Meethong, Y.H. Kao, W.C. Carter, Y.M. Chiang. Model for the particle size, overpotential, and strain dependence of phase transition pathways in storage electrodes: Application to nanoscale olivines. Chem. Mater. 21 (8), 1557 (2009).
https://doi.org/10.1021/cm803172s
M. Tang, W.C. Carter, J.F. Belak, Yet-Ming Chiang. Modeling the competing phase transition pathways in nanoscale olivine electrodes. Electrochimica Acta 56 (2), 969 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.09.027
V.S. Mashkevich, K.B. Tolpygo. Electrical, optical and elastic properties of diamond type crystals. Sov. Phys. JETP. 5 (3), 435 (1957).
A.K. Tagantsev. Electric polarization in crystals and its response to thermal and elastic perturbations. A Multinational Journal 35 (3–4), 119 (1991).
S.M. Kogan. Piezoelectric effect during inhomogeneous deformation and acoustic scattering of carriers in crystals. Sov. Phys. Solid State 5 (10), 2069 (1964).
P.V. Yudin, A.K. Tagantsev. Fundamentals of flexoelectricity in solids. Nanotechnology 24 (43), 432001 (2013).
https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/43/432001
P. Zubko, G. Catalan, A.K. Tagantsev. Flexoelectric effect in solids. Ann. Rev. Mater. Research 43, 387 (2013).
https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-071312-121634
E.A. Eliseev, A.N. Morozovska, M.D. Glinchuk, R. Blinc. Spontaneous flexoelectric/flexomagnetic effect in nanoferroics. Phys. Rev. B 79 (16), 165433 (2009).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.165433
M.D. Glinchuk, E.A. Eliseev, A.N. Morozovska. Spontaneous flexoelectric effect in nanosystems (topical review). Ferroelectrics 500, 90 (2016).
https://doi.org/10.1080/00150193.2016.1214994
S.V. Kalinin, A.N. Morozovska. Multiferroics: Focusing light on flexoelectricity. Nature Nanotechnology 10, 916 (2015).
https://doi.org/10.1038/nnano.2015.213
D. Lee, A. Yoon, S.Y. Jang, J.G. Yoon, J.S. Chung, M. Kim, J.F.Scott, T.W. Noh. Giant flexoelectric effect in ferroelectric epitaxial thin films. Phys. Rev. Lett. 107 (5), 057602 (2011).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.057602
A.N. Morozovska, M.D. Glinchuk. Flexo-chemo effect in nanoferroics as a source of critical size disappearance at size-induced phase transitions. J. Appl. Phys. 119 (9), 094109 (2016).
https://doi.org/10.1063/1.4942859
G. Catalan, B. Noheda, J. McAneney, L.J. Sinnamon, J.M. Gregg. Strain gradients in epitaxial ferroelectrics. Phys. Rev. B 72 (2), 020102 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.020102
M.S. Majdoub, R. Maranganti, P. Sharma. Understanding the origins of the intrinsic dead layer effect in nanocapacitors. Phys. Rev. B 79 (11), 115412 (2009).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.115412
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, Y.A. Genenko, I.S. Vorotiahin, M.V. Silibin, Y. Cao, Y. Kim, M.D. Glinchuk, S.V. Kalinin. Flexocoupling impact on size effects of piezoresponse and conductance in mixed-type ferroelectric semiconductors under applied pressure. Phys. Rev. B 94, 174101 (2016).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.174101
Y. Gil, Y. Tsur, O.M. Umurhan, I. Riess. Properties of solid state devices with significant impurity hopping conduction. J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 135106 (2008).
https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/13/135106
O.V. Varenyk, M.V Silibin, D.A Kiselev, E.A. Eliseev, S.V. Kalinin, A.N. Morozovska. Self-consistent modelling of electrochemical strain microscopy in mixed ionicelectronic conductors: Nonlinear and dynamic regimes. J. Appl. Phys. 118, 072015 (2015).
https://doi.org/10.1063/1.4927815
D.A. Freedman, D. Roundy, T.A. Arias. Elastic effects of vacancies in strontium titanate: Short- and long-range strain fields, elastic dipole tensors, and chemical strain. Phys. Rev. B 80, 064108 (2009).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.064108
X. Zhang, A.M. Sastry, W. Shyy. Intercalation-induced stress and heat generation within single lithium-ion battery cathode particles. J. Electrochem. Soc. 155, A542 (2008).
https://doi.org/10.1149/1.2926617
H.-Ch. Chang, G. Jaffe. Polarization in electrolytic solutions. Part I. Theory. J. Chem. Phys. 20, 1071 (1952).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
