Rev. Phys. Appl. (Paris) 11, 449-466 (1976)
DOI: 10.1051/rphysap:01976001104044900

Propriétés d'un point-mémoire en boracite Fe3B7O 13I ferro-électrique-ferro-élastique orthorhombique

L.A. Pétermann et H. Schmid

Battelle, Centre de Recherche de Genève, CH-1227 Carouge-Genève, Suisse

Abstract
The ferroelectric, ferroelastic and electro-optic properties of orthorhombic boracite crystals Fe3B7O13I suggest that this material could be used to design an electro-optic memory element. This study has led to the following main results : - The velocity of 180° domain walls is an exponential function of the reciprocal electric field E : v = v∞ e-δ /E. The law is identical to that found by Miller and Savage for 180° walls of BaTiO3. At constant electric field the wall velocity obeys an exponential function of reciprocal absolute temperature. At room temperature the wall velocity reaches 10 ms-1 at 92 kV cm-1; - At zero external mechanical constraint, there occurs no electric threshold field, at least down to 0.7 kV cm-1 ; - Domains, switched electrically in a matrix of oppositely oriented polarisation, return spontaneously by elastic back-switching at zero electric field ; parallel bands of opposite polarisation are stable after electric switching ; - If the crystal quality is good, the material does not show any fatigue effect, even after more than 108 complete polarisation reversals ; - With decrease of the shearing angle (by decreasing the temperature) the switching mechanism by displacement of one or two walls is replaced by a polydomain nucleation mechanism ; - Mechanical and electrical proximity effects do not allow an arrangement of several memory elements in checkerboard form on the same monolithic platelet and driving by a cross-bar access without mutual interference.

Résumé
Les propriétés ferro-électriques, ferro-élastiques et électro-optiques de la boracite Fe3B7O13I orthorhombique permettent d'envisager l'utilisation de ce cristal en tant que point-mémoire électro-optique. L'étude expérimentale a fourni les principaux résultats suivants : - La vitesse de propagation de paroi, v, des domaines à 180° est une fonction exponentielle de l'inverse du champ électrique E, v = v∞ e -δ/E. La loi est identique à celle qui a été formulée par Miller et Savage pour le BaTiO 3. La vitesse de paroi atteint 10 ms-1 à 92 kV cm-1 . A champ électrique constant, la vitesse de paroi varie exponentiellement avec l'inverse de la température absolue ; - Sous contrainte mécanique extérieure nulle, il n'y a pas de seuil de basculement intrinsèque dans ce matériau, du moins au-dessus de 0,7 kV cm-1; - Les domaines basculés électriquement dans une matrice à polarisation opposée reprennent leur polarisation initiale par retour élastique spontané sous champ électrique nul ; seules des bandes parallèles de domaines à polarisation antiparallèle sont stables ; - Un matériau de bonne qualité ne montre encore aucun phénomène de fatigue après plus de 10 8 basculements complets ; - En diminuant l'angle de cisaillement (par abaissement de la température) le basculement par propagation d'une ou deux parois fait place à un basculement par polynucléation ; - Les effets de proximité mécanique et électrique ne permettent pas de disposer plusieurs points-mémoire en échiquier et de les faire fonctionner par accès cross-bar sans interactions mutuelles.

PACS
7780D - Ferroelectric domain structure and effects: hysteresis.
7780 - Ferroelectricity and antiferroelectricity.
7820J - Electro optical effects condensed matter.
2810F - Piezoelectric and ferroelectric materials.

Key words
electro optical effects -- ferroelasticity -- ferroelectric materials -- ferroelectric switching -- iron compounds -- memory element -- Fe sub 3 B sub 7 O sub 13 I -- orthorhombic boracite -- domain walls -- wall velocity -- electric threshold field -- electric switching -- fatigue effect -- switching mechanism -- polydomain nucleation mechanism -- electrical proximity effects -- ferroelectric properties -- ferroelastic properties -- electrooptic properties -- mechanical proximity effects