鐵電材料具有優異的光電、壓電、鐵電性能,可應用于儲能、開關、調制、換能等領域。鐵電材料中不同鐵電相(疇)之間的過渡區域被稱為疇壁。作為一種二維結構,鐵電疇壁擁有不同于體材料的獨特電學、磁學和機械性質,因而成為近幾年炙手可熱的研究方向。
然而,在將疇壁作為獨立單元應用于納電子器件之前,我們還必須進一步了解其內稟特性對疇壁運動和生長的影響,從而實現對疇壁的操控與應用。
南京大學呂笑梅教授課題組和美國羅格斯大學、中國科學院深圳先進技術研究院、美國華盛頓大學等多個單位合作,利用基于原子力顯微鏡的三維電疇表征方法,對外延BiFeO3薄膜中不同類型疇壁的動力學特征進行了觀測和統計學分析。
研究者發現,在(001)方向的鐵酸鉍外延薄膜中,不同帶電性的(頭對頭、頭對尾、尾對尾)疇壁在外加電場驅動下的動性各不相同。其中:
低電壓下,電中性的頭對尾疇壁動性較大,而總長度較長的帶電疇壁(頭對頭和尾對尾)的移動則被荷電缺陷所限制;
高電壓下,帶電的尾對尾疇壁其動性和平均長度最大。
結合高分辨X射線頻譜,以上現象被認為與帶電疇壁的高成核能和低生長能有關。
(a)3.4 V和(b)5.8 V極化后的電疇構型。由深至淺四種灰度分別代表不同極化方向的電疇。頭對頭、頭對尾和尾對尾疇壁分別由橙色、淺藍色和紫色線條標出。
研究者進一步設計了兩步極化法,先后使用較小和較大的電場對薄膜表面進行探針極性掃描,生成了排列整齊的長條形尾對尾疇壁作為導電通路,且疇壁取向能夠隨探針掃描方向而改變,實現了鐵電疇壁的方向和形態控制。
由兩步極化法生成的有序分布的長條形尾對尾疇壁
該工作揭示了疇壁動性與疇壁附近電荷聚集狀態的緊密關聯,展現了對鐵電疇壁的微觀操控性,對鐵電疇壁在自旋電子學、存儲和通訊型納米器件領域的應用具有重要意義。
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原文標題:BiFeO3薄膜中的鐵電疇壁: 了解它、操控它 | NSR研究論文
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