Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Towards the reproducible fabrication of conductive ferroelectric domain walls into lithium niobate bulk single crystals

Published 13 May 2024 in cond-mat.mtrl-sci and physics.app-ph | (2405.08156v1)

Abstract: Ferroelectric domain walls (DWs) are promising structures for assembling future nano-electronic circuit elements on a larger scale, since reporting domain wall currents of up to 1 mA per single DW. One key requirement hereto is their reproducible manufacturing by gaining preparative control over domain size and domain wall conductivity (DWC). To date, most works on DWC have focused on exploring the fundamental electrical properties of individual DWs within single shot experiments, with emphasis on quantifying the origins for DWC. Very few reports exist when it comes to compare the DWC properties between two separate DWs, and literally nothing exists where issues of reproducibility in DWC devices have been addressed. To fill this gap while facing the challenge of finding guidelines achieving predictable DWC performance, we report on a procedure that allows us to reproducibly prepare single hexagonal domains of a predefined diameter into uniaxial ferroelectric (FE) lithium niobate (LN) single crystals of 200 and 300 micrometers thickness, respectively. We show that the domain diameter can be controlled with an error of a few percent. As-grown DWs are then subjected to a standard procedure of current-controlled high-voltage DWC enhancement, repetitively reaching a DWC increase of 6 orders of magnitude. While all resulting DWs show significantly enhanced DWC values, subtle features in their individual current-voltage (I-V) characteristics hint towards different 3D shapes into the bulk, with variations probably reflecting local heterogeneities by defects, DW pinning, and surface-near DW inclination, which seem to have a larger impact than expected.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (56)
  1. R. Waser and A. Rüdiger, “Pushing towards the digital storage limit,” Nat. Mater. 3, 81–82 (2004).
  2. Z. Wei, W. Chao, L. Jian-Wei, J. Jun, and J. An-Quan, “Erasable Ferroelectric Domain Wall Diodes,” Chin. Phys. Lett. 38, 017701 (2021).
  3. Y. Qian, Y. Zhang, J. Xu, and G. Zhang, “Domain-Wall p𝑝pitalic_p-n𝑛nitalic_n Junction in Lithium Niobate Thin Film on an Insulator,” Phys. Rev. Appl. 17, 044011 (2022).
  4. A. Suna, C. McCluskey, J. Maguire, K. Holsgrove, A. Kumar, R. McQuaid, and J. Gregg, “Tuning Local Conductance to Enable Demonstrator Ferroelectric Domain Wall Diodes and Logic Gates,” Adv. Phys. Res. 2, 2200095 (2023).
  5. T. Kämpfe, B. Wang, A. Haußmann, L.-Q. Chen, and L. M. Eng, “Tunable Non-Volatile Memory by Conductive Ferroelectric Domain Walls in Lithium Niobate Thin Films,” Crystals 10, 804 (2020).
  6. P. Chaudhary, H. Lu, A. Lipatov, Z. Ahmadi, J. P. V. McConville, A. Sokolov, J. E. Shield, A. Sinitskii, J. M. Gregg, and A. Gruverman, “Low-Voltage Domain-Wall LiNbO3 Memristors,” Nano Lett. 20, 5873–5878 (2020).
  7. J. P. V. McConville, H. Lu, B. Wang, Y. Tan, C. Cochard, M. Conroy, K. Moore, A. Harvey, U. Bangert, L.-Q. Chen, A. Gruverman, and J. M. Gregg, “Ferroelectric Domain Wall Memristor,” Adv. Funct. Mater. 30, 2000109 (2020).
  8. J. Sun, Y. Li, Y. Ou, Q. Huang, X. Liao, Z. Chen, X. Chai, X. Zhuang, W. Zhang, C. Wang, J. Jiang, and A. Jiang, “In-Memory Computing of Multilevel Ferroelectric Domain Wall Diodes at LiNbO3 Interfaces,” Adv. Funct. Mater. 32, 2207418 (2022).
  9. J. Lin, F. Bo, Y. Cheng, and J. Xu, “Advances in on-chip photonic devices based on lithium niobate on insulator,” Photonics Res. 8, 1910–1936 (2020).
  10. A. Boes, B. Corcoran, L. Chang, J. Bowers, and A. Mitchell, “Status and Potential of Lithium Niobate on Insulator (LNOI) for Photonic Integrated Circuits,” Laser Photonics Rev. 12, 1700256 (2018).
  11. M. Zhang, C. Wang, P. Kharel, D. Zhu, and M. Loncar, “Integrated lithium niobate electro-optic modulators: when performance meets scalability,” Optica 8, 652–667 (2021).
  12. M. Schröder, A. Haußmann, A. Thiessen, E. Soergel, T. Woike, and L. M. Eng, “Conducting Domain Walls in Lithium Niobate Single Crystals,” Adv. Funct. Mater. 22, 3936–3944 (2012).
  13. P. Reichenbach, T. Kämpfe, A. Thiessen, A. Haußmann, T. Woike, and L. M. Eng, “Multiphoton photoluminescence contrast in switched Mg:LiNbO3 and Mg:LiTaO3 single crystals,” Appl. Phys. Lett. 105, 122906 (2014).
  14. C. Godau, T. Kämpfe, A. Thiessen, L. M. Eng, and A. Haußmann, “Enhancing the Domain Wall Conductivity in Lithium Niobate Single Crystals,” ACS Nano 11, 4816–4824 (2017).
  15. C. S. Werner, S. J. Herr, K. Buse, B. Sturman, E. Soergel, C. Razzaghi, and I. Breunig, “Large and accessible conductivity of charged domain walls in lithium niobate,” Sci. Rep. 7, 9862 (2017).
  16. M. Zahn, E. Beyreuther, I. Kiseleva, A. Lotfy, C. McCluskey, J. Maguire, A.Suna, M. Rüsing, J. Gregg, and L. Eng, “Equivalent-circuit model that quantitatively describes domain-wall conductivity in ferroelectric LiNbO3,” Phys. Rev. Appl. 21, 024007 (2024), arXiv:2307.10322 .
  17. I. Stolichnov, L. Feigl, L. J. McGilly, T. Sluka, X.-K. Wei, E. Colla, A. Crassous, K. Shapovalov, P. Yudin, A. K. Tagantsev, and N. Setter, “Bent Ferroelectric Domain Walls as Reconfigurable Metallic-Like Channels,” Nano Lett. 15, 8049–8055 (2015).
  18. A. Suna, O. E. Baxter, J. P. V. McConville, A. Kumar, R. G. P. McQuaid, and J. M. Gregg, “Conducting ferroelectric domain walls emulating aspects of neurological behavior,” Appl. Phys. Lett. 121, 222902 (2022).
  19. Q. Xia and J. J. Yang, “Memristive crossbar arrays for brain-inspired computing,” Nat. Mater. 18, 309–323 (2019).
  20. B. Kirbus, C. Godau, L. Wehmeier, H. Beccard, E. Beyreuther, A. Haußmann, and L. M. Eng, “Real-Time 3D Imaging of Nanoscale Ferroelectric Domain Wall Dynamics in Lithium Niobate Single Crystals under Electric Stimuli: Implications for Domain-Wall-Based Nanoelectronic Devices,” ACS Appl. Nano Mater. 2, 5787–5794 (2019).
  21. E. Singh, H. Beccard, Z. H. Amber, J. Ratzenberger, C. W. Hicks, M. Rüsing, and L. M. Eng, “Tuning domain wall conductivity in bulk lithium niobate by uniaxial stress,” Phys. Rev. B 106, 144103 (2022).
  22. J. R. Maguire, C. J. McCluskey, K. M. Holsgrove, A. Suna, A. Kumar, R. G. P. McQuaid, and J. M. Gregg, “Ferroelectric Domain Wall p–n Junctions,” Nano Lett. 23, 10360–10366 (2023).
  23. B. Wolba, J. Seidel, C. Godau, A. Haußmann, and L. Eng, “Resistor Network Modeling of Conductive Domain Walls in Lithium Niobate,” Adv. Electron. Mater. 4, 1700242 (2017).
  24. S. Y. Xiao, T. Kämpfe, Y. M. Jin, A. Haußmann, X. M. Lu, and L. M. Eng, “Dipole-Tunneling Model from Asymmetric Domain-Wall Conductivity in LiNbO3 Single Crystals,” Phys. Rev. Appl. 10, 034002 (2018).
  25. C. J. McCluskey, M. G. Colbear, J. P. McConville, V, S. J. McCartan, J. R. Maguire, M. Conroy, K. Moore, A. Harvey, F. Trier, U. Bangert, A. Gruverman, M. Bibes, A. Kumar, R. G. P. McQuaid, and J. M. Gregg, “Ultrahigh Carrier Mobilities in Ferroelectric Domain Wall Corbino Cones at Room Temperature,” Adv. Mater. 34, 2204298 (2022).
  26. M. Campbell, J. McConville, R. McQuaid, D. Prabhakaran, A. Kumar, and J. Gregg, “Hall effect in charged conducting ferroelectric domain walls,” Nat. Commun. 7, 13764 (2016).
  27. P. Turner, J. McConville, S. McCartan, M. Campbell, J. Schaab, R. McQuaid, A. Kumar, and J. Gregg, “Large carrier mobilities in ErMnO3 conducting domain walls revealed by quantitative Hall-effect measurements,” Nano Letters 18, 6381–6386 (2018).
  28. H. Beccard, B. Kirbus, E. Beyreuther, M. Rüsing, P. Bednyakov, J. Hlinka, and L. M. Eng, “Nanoscale Conductive Sheets in Ferroelectric BaTiO3: Large Hall Electron Mobilities at Head-to-Head Domain Walls,” ACS Appl. Nano Mater. 5, 8717–8722 (2022).
  29. H. Beccard, E. Beyreuther, B. Kirbus, S. D. Seddon, M. Rüsing, and L. M. Eng, “Hall mobilities and sheet carrier densities in a single LiNbO3 conductive ferroelectric domain wall,” Phys. Rev. Appl. 20, 064043 (2023), arXiv:2308.00061 .
  30. C. L. Sones, M. C. Wengler, C. E. Valdivia, S. Mailis, R. W. Eason, and K. Buse, “Light-induced order-of-magnitude decrease in the electric field for domain nucleation in MgO-doped lithium niobate crystals,” Appl. Phys. Lett. 86, 212901 (2005).
  31. M. C. Wengler, B. Fassbender, E. Soergel, and K. Buse, “Impact of ultraviolet light on coercive field, poling dynamics and poling quality of various lithium niobate crystals from different sources,” J. Appl. Phys. 96, 2816–2820 (2004).
  32. H. Steigerwald, F. von Cube, F. Luedtke, V. Dierolf, and K. Buse, “Influence of heat and UV light on the coercive field of lithium niobate crystals,” Appl. Phys. B 101, 535–539 (2010).
  33. M. C. Wengler, U. Heinemeyer, E. Soergel, and K. Buse, “Ultraviolet light-assisted domain inversion in magnesium-doped lithium niobate crystals,” J. Appl. Phys. 98, 064104 (2005).
  34. Y. Chen, C. Lou, J. Xu, S. Chen, Y. Kong, G. Zhang, and J. Wen, “Domain switching characteristics of the near stoichiometric LiNbO3 doped with MgO,” J. Appl. Phys. 94, 3350–3352 (2003).
  35. S. Kim, V. Gopalan, K. Kitamura, and Y. Furukawa, “Domain reversal and nonstoichiometry in lithium tantalate,” J. Appl. Phys. 90, 2949–2963 (2001).
  36. B. Kirbus, Cherenkov Second Harmonic Generation Microscopy of ferroelectric domain walls under thermal and electric stimuli, Master’s thesis, Technische Universität Dresden (2019).
  37. V. Gopalan, Q. X. Jia, and T. E. Mitchell, “In situ video observation of 180° domain kinetics in congruent LiNbO3 crystals,” Appl. Phys. Lett. 75, 2482–2484 (1999).
  38. V. Y. Shur, “Kinetics of ferroelectric domains: Application of general approach to LiNbO3 and LiTaO3,” J. Mater. Sci. 41, 199–210 (2006).
  39. H. Lu, Y. Tan, J. P. V. McConville, Z. Ahmadi, B. Wang, M. Conroy, K. Moore, U. Bangert, J. E. Shield, L.-Q. Chen, J. M. Gregg, and A. Gruverman, “Electrical Tunability of Domain Wall Conductivity in LiNbO3 Thin Films,” Adv. Mater. 31, 1902890 (2019).
  40. L. Tian, A. Vasudevarao, A. N. Morozovska, E. A. Eliseev, S. V. Kalinin, and V. Gopalan, “Nanoscale polarization profile across a 180° ferroelectric domain wall extracted by quantitative piezoelectric force microscopy,” J. Appl. Phys. 104, 074110 (2008).
  41. N. C. Carville, S. M. Neumayer, M. Manzo, M.-A. Baghban, I. N. Ivanov, K. Gallo, and B. J. Rodriguez, “Influence of annealing on the photodeposition of silver on periodically poled lithium niobate,” J. Appl. Phys. 119, 054102 (2016).
  42. S. Sanna and W. G. Schmidt, “LiNbO3 surfaces from a microscopic perspective,” J. Phys.: Condens. Matter 29, 413001 (2017).
  43. E. A. Eliseev, A. N. Morozovska, S. V. Kalinin, Y. Li, J. Shen, M. D. Glinchuk, L.-Q. Chen, and V. Gopalan, “Surface effect on domain wall width in ferroelectrics,” J. Appl. Phys. 106, 084102 (2009).
  44. T. Kämpfe, P. Reichenbach, M. Schröder, A. Haußmann, L. M. Eng, T. Woike, and E. Soergel, “Optical three-dimensional profiling of charged domain walls in ferroelectrics by Cherenkov second-harmonic generation,” Phys. Rev. B 89, 035314 (2014).
  45. J. Kaneshiro, S. Kawado, H. Yokota, Y. Uesu, and T. Fukui, “Three-dimensional observations of polar domain structures using a confocal second-harmonic generation interference microscope,” J. Appl. Phys. 104, 054112 (2008).
  46. S. Cherifi-Hertel, H. Bulou, R. Hertel, G. Taupier, K. D. H. Dorkenoo, C. Andreas, J. Guyonnet, I. Gaponenko, K. Gallo, and P. Paruch, “Non-Ising and chiral ferroelectric domain walls revealed by nonlinear optical microscopy,” Nat. Commun. 8, 15768 (2017).
  47. A. I. Otko, A. E. Nosenko, T. R. Volk, and L. A. Shuvalov, “Spatial visualization of domains in lithium niobate crystals,” Ferroelectrics 145, 163–180 (1993).
  48. E. Soergel, “Visualization of ferroelectric domains in bulk single crystals,” Appl. Phys. B 81, 1432–0649 (2005).
  49. P. A. Hegarty, L. M. Eng, and M. Rüsing, “Tuning the Čerenkov second harmonic contrast from ferroelectric domain walls via anomalous dispersion,” J. Appl. Phys. 132, 214102 (2022).
  50. S. Reitzig, F. Hempel, J. Ratzenberger, P. A. Hegarty, Z. H. Amber, R. Buschbeck, M. Rüsing, and L. M. Eng, “High-speed hyperspectral imaging of ferroelectric domain walls using broadband coherent anti-Stokes Raman scattering,” Appl. Phys. Lett. 120, 162901 (2022).
  51. B. Sturman and E. Podivilov, “Ferroelectric Domain Reversal: The Role of Domain Wall Conduction,” JETP Lett. 116, 246–253 (2022).
  52. W. Wang, Y. Kong, H. Liu, Q. Hu, S. Liu, S. Chen, and J. Xu, “Light-induced domain reversal in doped lithium niobate crystals,” J. Appl. Phys. 105, 043105 (2009).
  53. V. Y. Shur, “Correlated nucleation and self-organized kinetics of ferroelectric domains,” in Nucleation Theory and Applications (John Wiley & Sons, Ltd, 2005) Chap. 6, pp. 178–214.
  54. L. He and D. Vanderbilt, “First-principles study of oxygen-vacancy pinning of domain walls in PbTiO3,” Phys. Rev. B 68, 134103 (2003).
  55. V. Gopalan, V. Dierolf, and D. A. Scrymgeour, “Defect–Domain Wall Interactions in Trigonal Ferroelectrics,” Annu. Rev. Mater. Res. 37, 449–489 (2007).
  56. C. L. Sones, P. Ganguly, C. Y. J. Ying, E. Soergel, R. W. Eason, and S. Mailis, “Poling-inhibited ridge waveguides in lithium niobate crystals,” Appl. Phys. Lett. 97, 151112 (2010).

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 0 likes about this paper.

Sign Up for Free