BiFeO3 (BFO) is one of the most widely studied magneto-electric multiferroics. The magneto-electric coupling in BiFeO3, which allows for the control of the ferroelectric and magnetic domain structures via applied electric fields, can be used to incorporate BiFeO3 into novel spintronics devices and sensors. Before BiFeO3 can be integrated into such devices, however, a better understanding of the dynamics of ferroelectric switching, particularly in the vicinity of extended defects, is needed. We use in situ transmission electron microscopy (TEM) to investigate the response of ferroelectric domains within BiFeO3 thin films to applied electric fields at high temporal and spatial resolution. This technique is well suited to imaging the observed intermediate ferroelectric switching regimes, which occur on a time- and length-scale that are too fine to study via conventional scanning-probe techniques. Additionally, the spatial resolution of transmission electron microscopy allows for the direct study of the dynamics of domain nucleation and propagation in the presence of structural defects. In this article, we show how this high resolution technique captures transient ferroelectric structures forming during biasing, and how defects can both pin domains and act as a nucleation source. The observation of continuing domain coalescence over a range of times qualitatively agrees with the nucleation-limited-switching model proposed by Tagantsev et al. We demonstrate that our in situ transmission electron microscopy technique is well-suited to studying the dynamics of ferroelectric domains in BiFeO3 and other ferroelectric materials. These biasing experiments provide a real-time view of the complex dynamics of domain switching and complement scanning-probe techniques.

1.
M.
Bibes
and
A.
Barthélémy
,
Nature Mater.
7
,
425
(
2008
).
2.
D.
Lee
,
S. M.
Yang
,
T. H.
Kim
,
B. C.
Jeon
,
Y. S.
Kim
,
J. G.
Yoon
,
H. N.
Lee
,
S. H.
Baek
,
C. B.
Eom
, and
T. W.
Noh
,
Adv. Mater.
24
,
402
(
2012
).
3.
K.
Takanashi
,
N.
Kida
, and
M.
Tonouchi
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
117402
(
2006
).
4.
H.
Bea
,
M.
Gajek
,
M.
Bibes
, and
A.
Barthélémy
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
434231
(
2008
).
5.
S. Y.
Yang
,
J.
Seidel
,
S. J.
Byrnes
,
P.
Shafer
,
C. H.
Yang
,
M. D.
Rossell
,
P.
Yu
,
Y. H.
Chu
,
J. F.
Scott
,
J. W.
Ager
,
L. W.
Martin
, and
R.
Ramesh
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
143
(
2010
).
6.
S. R.
Basu
,
L. W.
Martin
,
Y. H.
Chu
,
M.
Gajek
,
R.
Ramesh
,
R. C.
Rai
,
X.
Xu
, and
J. L.
Musfeldt
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
091905
(
2008
).
7.
Y. H.
Chu
,
L. W.
Martin
,
M. B.
Holcomb
,
M.
Gajek
,
S. J.
Han
,
Q.
He
,
N.
Balke
,
C. H.
Yang
,
D.
Lee
,
W.
Hu
,
Q.
Zhan
,
P. L.
Yang
,
A.
Fraile-Rodgriguez
,
A.
Scholl
,
S. X.
Wang
, and
R.
Ramesh
,
Nature Mater.
7
(
6
),
478
(
2008
).
8.
A.
Gruverman
and
A.
Kholkin
,
Rep. Prog. Phys.
69
(
8
),
2443
(
2006
).
9.
M.
Dawber
,
K. M.
Rabe
, and
J. F.
Scott
,
Rev. Mod. Phys.
77
,
1083
1130
(
2005
).
10.
P.
Paruch
,
T.
Giamarchi
, and
J. M.
Triscone
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
197601
(
2005
).
11.
S.
Jesse
,
B. J.
Rodriguez
,
S.
Choudhury
,
A. P.
Baddorf
,
I.
Vrejoiu
,
D.
Hesse
,
M.
Alexe
,
E. A.
Aliseev
,
A. N.
Morozovska
,
J.
Zhang
,
L. Q.
Chen
, and
S. V.
Kalinin
,
Nature Mater.
7
(
3
),
209
(
2008
).
12.
Y.
Kim
,
H.
Han
,
W.
Lee
,
S.
Baik
,
D.
Hesse
, and
M.
Alexe
,
Nano Lett.
10
,
1266
(
2010
).
13.
D.
Pantel
,
Y.-H.
Chu
,
L. W.
Martin
,
R.
Ramesh
,
D.
Hesse
, and
M.
Alexe
,
J. Appl. Phys.
107
,
084111
(
2010
).
14.
A.
Tagantsev
,
I.
Stolichnov
,
N.
Setter
,
J.
Cross
, and
M.
Tsukada
,
Phys. Rev. B
66
,
214109
(
2002
).
15.
N.
Balke
,
I.
Bdikin
,
S. V.
Kalinin
, and
A. L.
Kholkin
,
J. Am. Ceram. Soc.
92
,
1629
1647
(
2009
).
16.
Y.-H.
Chu
,
L. W.
Martin
,
M. B.
Holcomb
,
M.
Gajek
,
S.-J.
Han
,
Q.
He
,
N.
Balke
,
C.-H.
Yang
,
D.
Lee
,
W.
Hu
,
Q.
Zhan
,
P.-L.
Yang
,
A.
Fraile-Rodríguez
,
A.
Scholl
,
S. X.
Wang
, and
R.
Ramesh
,
Nature Mater.
7
,
478
482
(
2008
).
17.
Y. -C.
Chen
,
G. -F.
Wang
,
H. -H.
Tai
,
J. -W.
Chen
,
Y. -C.
Huang
,
J.-C.
Yang
, and
Y.-H.
Chu
,
Nanotechnology
22
,
254030
(
2011
).
18.
A.
Gruverman
,
B. J.
Rodriguez
,
C.
Dehoff
,
J. D.
Waldrep
,
A. I.
Kingon
,
R. J.
Nemanich
, and
J. S.
Cross
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
082902
(
2005
).
19.
D. J.
Kim
,
J. Y.
Jo
,
T. H.
Kim
,
S. M.
Yang
,
B.
Chen
,
Y. S.
Kim
, and
T. W.
Noh
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
132903
(
2007
).
20.
S. V.
Kalinin
,
B. J.
Rodriguez
,
A. Y.
Borisevich
,
A. P.
Baddorf
,
N.
Balke
,
H. J.
Chang
,
L.-Q.
Chen
,
S.
Choudhury
,
S.
Jesse
,
P.
Maksymovych
,
M. P.
Nikiforov
, and
S. J.
Pennycook
,
Adv. Mater.
22
,
314
322
(
2010
).
21.
S. O.
Hruszkewycz
,
C. M.
Folkman
,
M. J.
Highland
,
M. V.
Holt
,
S. H.
Baek
,
S. K.
Streiffer
,
P.
Baldo
,
C. B.
Eom
, and
P. H.
Fuoss
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
232903
(
2011
).
22.
D.-H.
Do
,
P. G.
Evans
,
E. D.
Isaacs
,
D. M.
Kim
,
C. B.
Eom
, and
E. M.
Dufresne
,
Nature Mater.
3
,
365
369
(
2004
).
23.
D.
Lebeugle
,
A.
Mougin
,
M.
Viret
,
D.
Colson
, and
L.
Ranno
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
257601
(
2009
).
24.
C. T.
Nelson
,
P.
Gao
,
J. R.
Jokisaari
,
C.
Heikes
,
C.
Adamo
,
A.
Melville
,
S.-H.
Baek
,
C. M.
Folkman
,
B.
Winchester
,
Y.
Gu
,
Y.
Liu
,
K.
Zhang
,
E.
Wang
,
J.
Li
,
L.-Q.
Chen
,
C.-B.
Eom
,
D. G.
Schlom
, and
X.
Pan
,
Science
334
,
968
971
(
2011
).
25.
H.
Chang
,
S. V.
Kalinin
,
S.
Yang
,
P.
Yu
,
S.
Bhattacharya
,
P. P.
Wu
,
N.
Balke
,
S.
Jesse
,
L. Q.
Chen
,
R.
Ramesh
,
S. J.
Pennycook
, and
A. Y.
Borisevich
,
J. Appl. Phys.
110
,
052014
(
2011
).
26.
X.
Tan
,
Z.
Xu
, and
J. K.
Shang
,
Mater. Sci. Eng., A
314
,
1
2
(
2001
).
27.
H.
He
and
X.
Tan
,
Phys. Rev. B
72
,
024102
(
2005
).
28.
N. A.
Polomoff
,
A.
Rakin
,
S.
Lee
,
V.
Palumbo
,
P.
Yu
,
Y. H.
Chu
,
R.
Ramesh
, and
B. D.
Huey
,
J. Appl. Phys.
109
,
091607
(
2011
).
29.
N. A.
Polomoff
,
R. N.
Premnath
,
J. L.
Bosse
, and
B. D.
Huey
,
J. Mater. Sci.
44
,
19
(
2009
).
30.
A.
Scholl
,
Curr. Opin. Solid State Mater.
7
,
59
66
(
2003
).
31.
Y.
Cho
,
S.
Kazuta
, and
K.
Matsuura
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2833
(
1999
).
32.
J.
Vogel
,
W.
Kuch
,
M.
Bonfim
,
J.
Camarero
,
Y.
Pennec
,
F.
Offi
,
K.
Fukumoto
,
J.
Kirschner
,
A.
Fontaine
, and
S.
Pizzini
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
2299
(
2003
).
33.
T.
Zhao
,
A.
Scholl
,
F.
Zavaliche
,
K.
Lee
,
M.
Barry
,
A.
Doran
,
M. P.
Cruz
,
Y. H.
Chu
,
C.
Ederer
,
N. A.
Spaldin
,
R. R.
Das
,
D. M.
Kim
,
S. H.
Baek
,
C. B.
Eom
, and
R.
Ramesh
,
Nature Mater.
5
,
823
829
(
2006
).
34.
S. P.
Venkateswaran
,
N. T.
Nuhfer
, and
M.
De Graef
,
Acta Mater.
55
,
16
(
2007
).
35.
M.
Tanase
and
A. K.
Petford-Long
,
Microsc. Res. Tech.
72
(
3
),
187
(
2009
).
36.
K.
He
,
D. J.
Smith
, and
M. R.
McCartney
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
182507
(
2009
).
37.
C.
Phatak
,
M.
Beleggia
, and
M.
De Graef
,
Ultramicroscopy
108
(
6
),
503
(
2008
).
38.
P.
Maksymovych
,
J.
Seidel
,
Y. H.
Chu
,
P.
Wu
,
A. P.
Baddorf
,
L. -Q.
Chen
,
S. V.
Kalinin
, and
R.
Ramesh
,
Nano Lett.
11
,
1906
(
2011
).
39.
S. P.
Alpay
,
I. B.
Misirlioglu
,
V.
Nagarajan
, and
R.
Ramesh
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
2044
(
2004
).
40.
C. R.
Winkler
,
A. R.
Damodaran
,
J.
Karthik
,
L. W.
Martin
, and
M. L.
Taheri
,
Micron
43
,
1121
(
2012
).
41.
M. L.
Winkler
,
B. W.
Reed
,
T. B.
LaGrange
, and
N. D.
Browning
,
Small
4
,
12
(
2008
).
42.
C. R.
Winkler
,
M. L.
Jablonski
,
A. R.
Damodaran
,
J.
Karthik
,
J. G.
Wen
,
D. J.
Miller
,
L. W.
Martin
, and
M. L.
Taheri
, “Ferroelectric switching dependence on defect-domain wall interactions in BiFeO3,” (unpublished).
43.
M. L.
Taheri
,
T.
LaGrange
,
B. W.
Reed
,
M. R.
Armstrong
,
G. H.
Campbell
,
W. J.
DeHope
,
J. S.
Kim
,
W. E.
King
,
D. J.
Masiel
, and
N. D.
Browning
,
Microsc. Res. Tech.
72
(
3
),
122
(
2009
).
44.
J. S.
Kim
,
T.
Lagrange
,
B. W.
Reed
,
M. L.
Taheri
,
M. R.
Armstrong
,
W. E.
King
,
N. D.
Browning
, and
G. H.
Campbell
,
Science
321
,
5895
(
2008
).
45.
T.
Lagrange
,
G. H.
Campbell
,
B. W.
Reed
,
M.
Taheri
,
J.
Pesavento
,
J.
Kim
, and
N.
Browning
,
Ultramicroscopy
108
,
11
(
2008
).
46.
M. L.
Taheri
,
S.
McGowan
,
L.
Nikolova
,
J. E.
Evans
,
N.
Teslich
,
J. P.
Lu
,
T.
LaGrange
,
F.
Rosei
,
B. J.
Siwick
, and
N. D.
Browning
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
032102
(
2010
).
47.
I. M.
Robertson
,
C. A.
Schuh
,
J. S.
Vetrano
,
N. D.
Browning
,
D. P.
Field
,
D. J.
Jensen
,
M. K.
Miller
,
I.
Baker
,
D. C.
Dunand
,
R.
Dunin-Borkowski
,
B.
Kabius
,
T.
Kelly
,
S.
Lozano-Perez
,
A.
Misra
,
G. S.
Rohrer
,
A. D.
Rollett
,
M. L.
Taheri
,
G. B.
Thompson
,
M.
Uchic
,
X. L.
Wang
, and
G.
Was
,
J. Mater. Res.
26
,
11
(
2011
).
You do not currently have access to this content.