Valanoor Nagarajan, Stéphane Fusil, Manuel Bibes, Brahim Dkhil, Jean Juraszek, Mengjiao Han, J. Fischer, Oliver Paull, C. Carrétéro, Xiuliang Ma, Florian Appert, Vincent Garcia, Agnès Barthélémy, Vivasha Govinden, Yinlian Zhu, Daniel Sando, School of Materials Science and Engineering [Sydney], University of New South Wales [Sydney] (UNSW), Shenyang National Laboratory for Materials Science (SYNL), Institute of Metal Research [Chinese Academy of Sciences] (IMR), Chinese Academy of Sciences [Beijing] (CAS)-Chinese Academy of Sciences [Beijing] (CAS), School of Physics [UNSW Sydney] (UNSW), Groupe de physique des matériaux (GPM), Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Unité mixte de physique CNRS/Thales (UMPhy CNRS/THALES), THALES [France]-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-17-CE09-0030,PIAF,Imagerie et manipulation des antiferromagnétiques(2017), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU), Mark Wainwright Analytical Centre [Sydney] (UNSW ), THALES-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
International audience; In ferroelectric thin films, the domain structure defines ferroelectric switching pathways and thus influences device performance. In epitaxial bismuth ferrite (BiFeO3) films, fractal-like domains have been observed, but direct evidence of their origins has remained unclear. Here, we show that the nature of the ferroelectric domain structure-i.e. striped vs. fractal-like-in epitaxial BiFeO3 is defined by the strain profile across the film-substrate interface. In samples with fractal-like domains, X-ray diffraction analysis reveals strong strain gradients, while geometric phase analysis using atomic resolution scanning transmission electron microscopy reveals that within a few nanometers of the film-substrate interface, the out of plane strain shows an anomalous dip while the in-plane strain is constant. Electron energy-loss near edge structure at the oxygen K edge shows that in the vicinity of the interface, the oxygen coordination is locally modified; this combined with the anomalous strain behavior thus drives the formation of fractal-like domains. Conversely, if uniform strain is maintained across the interface, characteristic striped domains are formed. Interestingly, conversion from the fractal-like arrangement to striped domains is found possible by an ex-situ thermal treatment step. Critically, the antiferromagnetic state of the BiFeO3 is influenced by the domain structure, whereby the fractal-like domains disrupt the long-range spin cycloid. Finally, as a demonstration of the applicability of this concept, we show that a carefully engineered lower electrode with large strain gradient can be used to induce fractal domains.