Monte Carlo Simulation of Ferroelectric Behavior in PZT Films by Using a Stress Dependent DIFFOUR Hamiltonian

Simulación Monte Carlo del comportamiento ferroeléctrico de películas de PZT empleando un Hamiltoniano DIFFOUR dependiente de la presión

En este trabajo se estudió la respuesta de polarización y de histéresis en películas delgadas de titanato zirconato de plomo (PZT) a la variación de temperatura, presión, campo eléctrico y contenido de impurezas no ferroeléctricas, mediante simulación Monte Carlo. La simulación se basó en un Hamiltoniano DIFFOUR, que tiene en cuenta el efecto de un esfuerzo uniaxial, además de la interacción entre dipolos vecinos y el efecto de un campo eléctrico externo. Los resultados obtenidos para ciclos de histéresis y curvas de polarización se ajustan a los datos experimentales reportados para este material.

1 INTRODUCCIÓN

Los ferroeléctricos y su característica de piezoelectricidad han atraído el interés de la comunidad científica. En los últimos años se ha realizado un esfuerzo considerable en el desarrollo de aplicaciones tecnológicas basadas en estos fenómenos. Los dispositivos piezoeléctricos, incluyen, entre otros: actuadores en voladizo, [1],[2], sondas para microscopía de fuerza atómica [3], micromotores ultrasónicos [4],[5],[6], microbombas [7], transductores ultrasónicos [8],[9] y actuadores para la supresión de vibraciones mecánicas en estructuras tipo edificio [10].

El estudio de las variables que afectan directamente a la formación de dominios y a la calidad de respuesta de estos materiales bajo la influencia de campos eléctricos ha sido de amplio interés, debido a su potencial uso en el diseño de memorias no volátiles [11] y al desarrollo de perovskitas complejas multiferroicas a partir de la mezcla de perovskitas simples ferroeléctricas y ferromagnéticas [12]. Una gran cantidad de datos experimentales reportan el comportamiento de varios materiales ferroeléctricos como el Titanato de Circonato de Plomo (PZT) y el Titanato de Bismuto (BIT) [13], considerando efectos de temperatura, tensión y dopantes, entre otras variables en relación con la polarización y la histéresis. Experimentalmente, Wondsamnern [14] caracterizó lazos de histéresis ferroeléctricos de cerámicas PZT, observando la influencia de la tensión externa y la temperatura en una relación inversa de estas variables con el área de histéresis. Tan importantes como los análisis que hemos mencionado anteriormente son las propuestas de investigación que intentan contribuir a una mejor comprensión de estos materiales a través de un enfoque de modelado teórico. Recientemente Laosiritaworn et al. [15] estudiaron mediante la técnica de Monte Carlo, películas delgadas de PZT proponiendo un Hamiltoniano dependiente de la tensión uniaxial. Simularon la respuesta dinámica de una película delgada ferroeléctrica, identificando los cambios en la disipación de energía de los bucles de histéresis con la variación de la tensión.

En esta investigación se abordó la respuesta de la polarización, la susceptibilidad y la histéresis de las películas delgadas ferroeléctricas a la variación de la temperatura, la tensión, el campo eléctrico y el contenido de impurezas no ferroeléctricas mediante una simulación de Monte Carlo.