Spontaneous pattern of orthogonal ferroelectric domains in epitaxial KNN films

材料科学 铁电性 外延 凝聚态物理 薄膜 互易晶格 结晶学 衍射 退火(玻璃) 复合材料 电介质 光电子学 纳米技术 光学 化学 图层(电子) 物理
作者
Chiara Groppi,Federico Maspero,M. Asa,Giulia Pavese,Christian Rinaldi,Edoardo Albisetti,Miguel Badillo,R. Bertacco
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:134 (20) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0171349
摘要

Lead-free piezoelectric (K, Na)NbO3 (KNN) is considered one of the promising candidates for the replacement of Pb(ZrxTi1−x)O3. Several studies underlined the issue of K and Na volatility with increasing deposition temperatures, leading to high leakage currents in thin films, which still represents a major drawback for applications. This paper shows how epitaxial growth with concomitant preferred orientation of KNN films on niobium-doped strontium titanate (Nb:STO) depends on growth temperature and substrate strain. A preferred out-of-plane polar (001) orientation of KNN is obtained at high temperatures (>600 °C), while (100) orientation is dominant for lower ones. The (001) orientation is forced out-of-plane due to the sizeable in-plane stress derived from a negative lattice mismatch of pseudo-cubic KNN with respect to the underlying cubic (001) Nb:STO substrate. Moreover, we show that K-Na deficiency and high leakage of epitaxial KNN films deposited at high temperatures are accompanied by the appearance of a pattern of orthogonal spontaneous ferroelectric domains aligned to the [100] and [010] directions of Nb:STO. This pattern, visible in secondary electron microscopy, piezoforce response microscopy, and conductive atomic force microscopy images, is uncorrelated to the surface morphology. Supported by reciprocal space mapping by x-ray diffraction, this phenomenon is interpreted as the result of strain relaxation via ferroelectric domain formation related to K-Na deficient films displaying a sizable and increasing compressive strain when grown on Nb:SrTiO3. Our findings suggest that strain engineering strategies in thin films could be used to stabilize specific configurations of piezo- and ferroelectric domains.

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