Resumen de Effect of flexoelectricity on the nano-mechanical properties of ferroelectrics
Los materiales ferroeléctricos pueden presentar diversas respuestas electromecánicas. Estas incluyen la electrostricción (deformación proporcional al cuadrado del campo eléctrico) la piezoelectricidad (polarización inducida por una deformación), y la flexoelectricidad (polarización inducida cuando hay un gradiente de deformación). Dado que la flexoelectricidad es proporcional a los gradientes de deformación, y estos, crecen en proporción inversa al tamaño, en la nanoescala la flexoelectricidad puede ser 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 colaboran entre ellas, y específicamente en 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, incluso cuando el material en cuestión es no-centrosimétrico (piezoeléctrico o ferroeléctrico). Sin embargo, ésta tesis demuestra que, en presencia de gradientes de deformación, la simetría mecánica se rompe: la respuesta mecánica de los ferroeléctricos depende del signo de su polarización. Éste resultado representa un cambio de paradigma 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 en el proyecto para realizar las medidas de las propiedades mecánicas y electromecánicas.
En el capítulo 3, se describe la caracterización y análisis de las propiedades mecánicas de cristales ferroeléctricos de LiNbO3 con la polarización perpendicular a la superficie, empleando la técnica de nanoindentación. Las propiedades fueron medidas para signos opuestos de polarización, y 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; en dicho cristal se tuvo por tanto acceso a polarizaciones opuestas desde una misma cara. Se observó que, independientemente del método de inversión, todas las respuestas mecánicas son asimétricas con respecto al espacio de inversión.
En el capítulo 4, a partir de la ecuación de la energía libre de los ferroeléctricos, se desarrolló un modelo capaz de determinar el coeficiente de acoplamiento flexoeléctrico empleando únicamente las medidas 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 es f ~ 40 V, un valor más realista que el medido por el método estándar y más cercano al predicho por las teorías de 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 con la polarización alineada en el plano. El material utilizado para dicho estudio fue un cristal de Rb-KTiOPO4 con dos dominios antiparalelos en el plano. Mediante indentación, se abrieron grietas paralelas, antiparalelas y perpendiculares a la polarización y se demostró que la propagación de dichas grietas esta intrínsecamente relacionado con la dirección de polarización: la flexoelectricidad disminuye la tenacidad de fractura cuando es paralela a la polarización ferroeléctrica, y por ende las grietas son mas largas. Para el concepto de agrietamiento dependiente de la polaridad se acuñó el término “diodo de agrietamiento”.
En el capítulo 6, se plantea una posible aplicación de la asimetría en las propiedades mecánicas reportadas en el capítulo 3: leer el signo de la polarización solamente por medios mecánicos, y de forma no-destructiva. Para demostrar éste nuevo concepto, se utilizó Microscopía de Frecuencia de Resonancia de Contacto 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, al trabajar con películas delgadas, la resolución de lectura se ve incrementada considerablemente. Esto demuestra a nivel conceptual que, gracias a la flexoelectricidad, no sólo es posible escribir mecánicamente una memoria ferroeléctrica, sino también leerla.
Finalmente en el capítulo 7 se concluye ésta tesis con un sumario de todos los resultados y sus consecuencias.
