Estudio de paredes de dominio ferroeléctricas polares en presencia de cargas libres

Abstract

En este trabajo de fin de grado se realiza un estudio teórico de las paredes de dominio cargadas en materiales ferroeléctricos dopados con dopantes donantes. Se deriva y corrige un modelo basado en un artículo previo, añadiendo una descripción más realista de la distribución de portadores y cuál es el nivel de Fermi del sistema. A partir de un sistema metal-ferroeléctrico-metal, se analizan las condiciones de equilibrio desarrollando y derivando el funcional que describe la energía del sistema, llegando a un conjunto de ecuaciones diferenciales que rigen el comportamiento del potencial, la polarización y la densidad de carga. Mediante la introducción de algunas aproximaciones, se obtiene un modelo aproximado que es posible resolver analíticamente. Este modelo se resuelve para distintos grosores y niveles de dopaje para dos materiales distintos (BaTiO3 y PZT). Los resultados muestran cómo se forman paredes de dominio cargadas en ciertas condiciones y cómo se comporta el ferroeléctrico en las distintas configuraciones. Finalmente, se comparan los resultados con datos experimentales y se discuten las posibles aplicaciones tecnológicas, como dispositivos nanoelectrónicos basados en paredes de dominio cargadas reconfigurables.

In this work, a theoretical study of charged domain walls in doped ferroelectric materials with donor-type dopants is carried out. A model based on a previous article is derived and corrected, incorporating a more realistic description of the charge carrier distribution and the position of the system’s Fermi level. Starting from a metal-ferroelectric-metal system, the equilibrium conditions are analyzed by developing and deriving the functional that describes the system’s energy, leading to a set of differential equations governing the behavior of the potential, polarization, and charge density. By introducing certain approximations, a simplified model is obtained that can be solved analytically. This model is solved for different film thicknesses and doping levels in two materials (BaTiO3 and PZT). The results show how charged domain walls form under specific conditions and how the ferroelectric behaves in various configurations. Finally, the results are compared with experimental data and the potential technological applications are discussed, such as nanoelectronic devices based on reconfigurable charged domain walls.