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铁电畴壁的动性和可操控性

Science China Press

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IMAGE: (a)3.4 V和(b)5.8 V极化后的电畴构型。由深至浅四种灰度分别代表极化方向沿着[11 ̅1]、[1 ̅1 ̅1]、[1 ̅11]和[111]的电畴。头对头、头对尾和尾对尾畴壁分别由橙色、浅蓝色和紫色线条标出。(c)每个极化过程中三种畴壁的平均移动距离。由(d)较小电压和(e)较大电压扫描极化组成的两步极化过程,实现了对BiFeO3薄膜中导电畴壁的调控,形成(f)有序分布的长条形尾对尾畴壁。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

铁电材料因具有优异的光电、压电、铁电性能,在储能、开关、调制和换能方面都有广泛的应用。随着器件微型化、集成化和可穿戴化的发展,传统的铁电体已经不能满足现代设备的要求。而铁电畴壁作为一个纳米级功能二维结构,在电学、磁学和机械等方面都有与体材料不同的独特性质,加之其在尺寸上的优势,使其成为近几年炙手可热的研究方向。然而,铁电畴壁的可操控性问题并没有解决,其内禀特性,比如畴壁取向和形态、畴壁附近束缚电荷分布等对畴壁运动以及生长的影响尚不明确,由此阻碍了畴壁作为独立单元在纳电子器件中的应用。

南京大学吕笑梅教授课题组和美国罗格斯大学、中国科学院深圳先进技术研究院、美国华盛顿大学等多个单位合作,利用基于原子力显微镜的三维电畴表征方法,对外延BiFeO3薄膜中不同类型畴壁的动力学特征进行了观测和统计学分析。研究者发现,在(001)方向的铁酸铋外延薄膜中,不同带电性的(头对头、头对尾、尾对尾)畴壁在外加电场驱动下的动性各不相同。其中,低电压下电中性的头对尾畴壁动性较大,而总长度较长的带电畴壁(头对头和尾对尾)的移动则被荷电缺陷所限制。高电压下,带电的尾对尾畴壁其动性和平均长度最大。结合高分辨X射线频谱,以上现象被认为是带电畴壁高成核能和低生长能的结果。研究者进一步设计了两步极化法,先后使用较大的电场和较小的电场对薄膜表面进行探针极性扫描,生成了排列整齐的长条形尾对尾畴壁作为导电通路,并且畴壁取向能够随探针扫描方向而改变,成功实现了铁电畴壁的取向生长和形态控制。该工作揭示了畴壁动性与畴壁附近电荷聚集状态的紧密关联,展现了对铁电畴壁的微观操控性,对铁电畴壁在自旋电子学、存储和通讯型纳米器件应用具有重要意义。

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相关工作以“Dynamics and manipulation of ferroelectric domain walls in bismuth ferrite thin films”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review,NSR)。

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz176

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