Nature 子刊：场增强铁电畴壁电子电导

二正正笑春风 7年前 (2017-11-15) 6330浏览

【引言】

铁电材料是一种存在自发极化的材料，外加电场可以改变其电极化性能，因此铁电材料在各类存储装置中具有广泛的应用前景。铁电体中，电畴壁对铁电材料意义重大，很大程度上决定了材料的性能。铁电畴壁也因其各种新奇现象和在纳米尺度上可进行稳定的图案化的特点受到广泛关注。

【成果简介】

近日，美国橡树岭国家实验室Petro Maksymovych教授（通讯作者）团队报道了局域电场使铁电薄膜畴壁处形成转向极化结构而增强电子电导的工作。通过导电原子力显微镜对（001）晶向超薄的BiFeO3薄膜进行测试，结合相场模拟，发现由于原子力显微镜针尖处的局域电场导致畴壁处转向极化铁畴形核。并结合轻微的势垒下降现象，解释观察到的发射电流分布，提出了电畴壁导电的机制。相关成果以题为“Field enhancement of electronic conductance at ferroelectric domain walls”发表在了Nature Communications上。

【图文导读】

图1. 超薄BFO薄膜的C-AFM测试

(a, b).高真空下超薄BFO薄膜的原子力显微镜和导电原子力显微镜照片。

(c, d). FBO薄膜的BE-PFM 测试中相同区域的纵向和横向振幅。

(e, f). 与(c, d)中对应的BE-PFM测试相位图。

图2. 高真空下BFO薄膜的I-V测试

(a).I-V测试中V=1.24V时的log(I)。

(b).畴内和畴壁处I-V曲线。

(c).肖特基拟合，

(d, e).介电常数的空间分布和直方图分布。

(f, g).势垒高度的空间分布和直方图分布。

(h).贝叶斯信息准则评估比较一段线性拟合和两段线性拟合模型。

(i).符合两段线性拟合的点及其阈值电压。

图3. BFO薄膜中铁电畴壁的相场模拟及转向极化核的形成

(a). 模型建立。

(b). x-y截面针尖电压1.5V时四个不同位置的极化取向。

(c). x-z截面极化取向，z方向极化分量Pz受施加在针尖的电压影响。

(d).由针尖到薄膜底面的Pz变化。

图4. 畴形核和极化转向结构

(a, b, d, e). 针尖电压1.5V时相场模拟结果。

(c). 与(a, b)对应的畴内处的Curl P图。

(f). 与(d, e)对应的畴壁处的Curl P图。

图5. 相场模拟

(a-f). 相场模拟由于畴壁处转向极化结构引起的不同针尖电压下的场增强现象。

图6. 转向极化结构使畴壁导电

(a). 通过相场模拟计算四个不同位置的针尖尖端处电场强度。

(b). 不同针尖电压下位置2-4处的电场增强。

(c). 通过图2中测试确定的电畴和畴壁分布图。

(d). 畴壁和畴内I-V曲线。

【小结】

该工作通过观测电场改变铁电畴壁拓扑结构提出了畴壁的导电机制。通过相场方法模拟针尖电压导致的畴壁处极化现象，揭示了局域场导致的畴壁转向极化结构增强界面处的电子电导。该机制可以解释之前文献中的一些矛盾之处，并且提示了在导电原子力测试中应该关注针尖上局域电场的作用。该机制也可以解释其他铁电材料的缺陷和畴顶点处的电导。

文献链接：Field enhancement of electronic conductance at ferroelectric domain walls (Nat. Commun.，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-01334-5)

本文由材料人电子电工学术组二正正笑春风供稿，材料牛整理编辑。

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