Domains and domain walls in multiferroics

Abstract

Multiferroics are gathering solid-state matter in which several types of orders are simultaneously allowed, as ferroelectricity, ferromagnetism (or antiferromagnetism), ferroelasticity, or ferrotoroidicity. Among all, the ferroelectric/ferromagnetic couple is the most intensively studied because of potential applications in novel low-power magnetoelectric devices. Switching of one order thanks to the other necessarily proceeds via the nucleation and growth of coupled domains. This review is an introduction to the basics of ferroelectric/ferromagnetic domain formation and to the recent microscopy techniques devoted to domains imaging, providing new insights into the archetypal multiferroic domain morphologies. Some relevant examples are also given to illustrate some of the unexpected properties of domain walls, as well as the way these domain walls can be manipulated altogether thanks to various types of magnetoelectric coupling. Les multiferroïques rassemblent les solides qui permettent la cohabitation de plusieurs ordres ferroïques tels que la ferroélectricité, le ferromagnétisme (ou l'antiferromagnétisme), la ferroélasticité ou la ferrotoroïdicité. Parmi ces ordres, le couple ferroélectrique/ferromagnétique est celui qui permet d'envisager le plus directement la réalisation de dispositifs originaux dans lesquels, par exemple, l'aimantation peut être renversée par l'application d'un champ électrique, par simple application d'une tension et avec un faible coût énergétique. La manipulation d'un ordre par un autre doit opérer par nucléation et croissance de domaines nécessairement couplés. Cette revue introduit les mécanismes gouvernant la formation de ces domaines et les techniques les plus récentes pour leur observation à l'échelle microscopique, donnant ainsi accès aux morphologies les plus typiques de domaines multiferroïques. Quelques exemples parmi les plus significatifs permettront d'illustrer les propriétés spécifiques liées aux parois de ces domaines, ainsi que la façon dont ces parois peuvent être manipulées les unes par l'intermédiaire des autres grâce à différents types de couplage magnétoélectrique.