北大高鹏研究员Acta Mater.: PbTiO3薄膜中铁弹畴转变的直接观察及弱界面钉扎效应的机制探究

【背景介绍】

铁弹畴由于其极化和应力之间的耦合从而引起丰富的物理现象，在传感器、驱动器以及纳米电子器件等领域具有很大的应用潜力，成为铁电领域的研究热点。比如铁弹性畴壁可以显着增强铁电材料的介电常数和压电响应；铁弹性畴的转变是控制多铁质异质界面磁电耦合的关键，同时铁弹畴壁本身也具有很多新奇的物理性质。因此，实现外场对铁弹畴的调控以及理解铁弹畴转变的物理机制至关重要。然而，在铁电薄膜中，铁弹畴一般被认为受到衬底钳制和缺陷钉扎而不能转变。虽然有很多报道观察到了铁弹畴壁的移动，但是大部分都是不完全转变，当外场撤去之后，铁弹畴又返回到初始的状态。而且很多实验都是基于表面探测技术，比如压电力显微镜，这些手段在探测畴壁动力学过程以及界面原子结构方面受到很大的限制，因此铁弹畴转变的动力学过程以及界面等缺陷对于铁弹畴壁移动性的影响仍需进一步研究。

【成果简介】

最近，北京大学高鹏研究员团队报道了直接观察单个铁弹畴的可逆转变，并研究了铁弹畴壁高移动性的原子尺度机理。 在这个工作中，他们结合原位电镜技术和图像的定量化分析，在没有位错的PbTiO₃薄膜中直接观察到了单个90°畴的可逆转变过程。通过对比转变前后界面的原子结构，他们提出弱化的界面钳制效应是铁弹畴可以完全转变的主要原因。结果表明，铁弹畴在靠近界面处，极化会发生大角度（约45°）的旋转，同时四方性（c/a）也会受到抑制，减小为~1.017。这些界面处巨大的结构畸变弱化了界面钳制效应，使铁弹畴的完全转变成为可能。相场模拟结果也展示了铁弹畴在界面处的极化旋转和应力分布。进一步的研究表明，无论c畴的极化方向是远离界面还是指向界面，铁弹畴的都是可以转变的，而且反向的电场或者应力可以使转变的铁弹畴恢复。这项研究揭示了铁弹畴的完全可逆转变及转变的原子尺度机制，使其能够在设计新的驱动器、传感器和磁电器件等方面得到应用。相关成果以“Direct observation of weakened interface clamping effect enabled ferroelastic domain switching”发表于Acta Mater.期刊上。

【图文摘要】
【图文导读】

图一、铁弹畴结构和电致铁弹畴转变
（a）PbTiO₃薄膜中的铁弹畴；

（b）面外极化c畴和面内极化a畴晶胞示意图；

（c）正电压下a畴转变过程的TEM暗场像；

（d）负电压下a畴转变过程的TEM暗场像；

（e）a畴的宽度和长度随外加电压的变化趋势；

（f）由电场驱动的单个铁弹性畴的两级转变过程示意图。

图二、铁弹畴原子结构
（a）原子位移矢量分布图；

（b）图（a）中的三个标记区域取平均的PbTiO₃单胞；

（c）相场模拟a畴极化分布；

（d~e）面内、面外晶格常数分布；

（f）c/a分布；

（g）面内、面外晶格常数定量分析；

（h）模拟a畴面外方向的应力分布。

图三、转变过程中界面的原子结构演变
（a~b）转变前（a）、后（b）相同区域的HAADF-STEM图像；

（c~d）分别与（a）和（b）对应的面外晶格参数图；

（e~f）分别与（a）和（b）对应的面内晶格参数图；

（g）面外晶格常数的定量分析；

（h）面内晶格常数的定量分析。

图四、电、力调控的a畴恢复
（a）a畴转变之后的明场TEM图；

（b）电场导致a畴恢复过程；

（c）a畴转变之后的明场TEM图；

（d）在外力作用下a畴恢复过程；

（e~g）利用GPA得到的晶格旋转图，对应a畴的初始(e)、转变(f)和恢复(g)状态；

（h）a畴在转变过程中宽度的变化。

【小结】

综上所述，作者利用原位电镜技术和图像的定量化分析，通过对PbTiO₃薄膜中90°畴可逆转变的直接观察，揭示了铁弹畴转变的机制。作者发现铁弹畴的可转变能力源于没有位错钉扎以及弱化的界面钳制。界面处极化旋转和四方性减小与相场模拟的结果一致。铁弹畴的转变是完全可逆的，应力和电场都可以使转变的铁弹畴恢复。界面处的原子结构变化表明界面钳制效应并不像普遍认为的那么强，澄清了之前实验观察中的争议。作者认为。可控且可逆的铁弹畴转变为铁电薄膜在纳米多功能器件中的应用提供了新的思路。

文献链接：Direct observation of weakened interface clamping effect enabled ferroelastic domain switching（Acta Mater. 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.04.003）

团队介绍：高鹏研究员课题组属于北京大学量子材料科学中心和电子显微镜实验室。课题组的主要研究兴趣是发展和利用有特色的电子显微学和谱学手段来研究量子材料的结构物性。主要的研究方法包括高空间分辨的图像定量分析、高时间分辨原位局域场探测、高能量分辨的电子能量损失谱学。主要研究的体系有氧化物缺陷与薄膜界面的结构物性、固态离子迁移行为、轻元素材料物理器件等。详情查看主页：http://www.phy.pku.edu.cn/~pgao/home.html

团队在该领域的工作：高鹏研究组近几年一直致力于低维铁电物理的研究，主要是基于图像定量化分析、原位动力学探测等先进的电子显微学技术研究铁电材料的缺陷结构和铁电畴翻转的动力学过程，主要成果包括界面对铁电畴形核的影响【Nat. Commun. 2, 591 (2011)；Science 334, 968 (2011)】、位错和点缺陷等和畴壁的相互作用【Nat. Commun. 4, 2791 (2013)；Nat. Commun. 5, 3801 (2014)； Acta Materialia 170， 132 （2019）】、铁电畴壁稳定性问题【Adv.Mater., 24， 1106 （2012）】、铁电薄膜表面和界面原子结构分析【Nat. Commun. 7, 11318 (2016)； PRB Rapid Commun. 97, 180103 (2018)】、超薄铁电薄膜中临界尺寸问题【Nat. Commun. 8, 15549 (2017)】、位错挠曲电效应的原子尺度测量【PRL 120, 267601(2018)】等。

本文由材料人金属组我亦是行人编译，材料人整理。

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