Nature 子刊：場增強鐵電疇壁電子電導

【引言】

鐵電材料是一種存在自發極化的材料，外加電場可以改變其電極化性能，因此鐵電材料在各類存儲裝置中具有廣泛的應用前景。鐵電體中，電疇壁對鐵電材料意義重大，很大程度上決定了材料的性能。鐵電疇壁也因其各種新奇現象和在納米尺度上可進行穩定的圖案化的特點受到廣泛關注。

【成果簡介】

近日，美國橡樹嶺國家實驗室Petro Maksymovych教授（通訊作者）團隊報道了局域電場使鐵電薄膜疇壁處形成轉向極化結構而增強電子電導的工作。通過導電原子力顯微鏡對（001）晶向超薄的BiFeO₃薄膜進行測試，結合相場模擬，發現由于原子力顯微鏡針尖處的局域電場導致疇壁處轉向極化鐵疇形核。并結合輕微的勢壘下降現象，解釋觀察到的發射電流分布，提出了電疇壁導電的機制。相關成果以題為“Field enhancement of electronic conductance at ferroelectric domain walls”發表在了Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1. 超薄BFO薄膜的C-AFM測試

(a, b).高真空下超薄BFO薄膜的原子力顯微鏡和導電原子力顯微鏡照片。

(c, d). FBO薄膜的BE-PFM 測試中相同區域的縱向和橫向振幅。

(e, f). 與(c, d)中對應的BE-PFM測試相位圖。

圖2. 高真空下BFO薄膜的I-V測試

(a).I-V測試中V=1.24V時的log(I)。

(b).疇內和疇壁處I-V曲線。

(c).肖特基擬合，

(d, e).介電常數的空間分布和直方圖分布。

(f, g).勢壘高度的空間分布和直方圖分布。

(h).貝葉斯信息準則評估比較一段線性擬合和兩段線性擬合模型。

(i).符合兩段線性擬合的點及其閾值電壓。

圖3. BFO薄膜中鐵電疇壁的相場模擬及轉向極化核的形成

(a). 模型建立。

(b). x-y截面針尖電壓1.5V時四個不同位置的極化取向。

(c). x-z截面極化取向，z方向極化分量P_z受施加在針尖的電壓影響。

(d).由針尖到薄膜底面的P_z變化。

圖4. 疇形核和極化轉向結構

(a, b, d, e). 針尖電壓1.5V時相場模擬結果。

(c). 與(a, b)對應的疇內處的Curl P圖。

(f). 與(d, e)對應的疇壁處的Curl P圖。

圖5. 相場模擬

(a-f). 相場模擬由于疇壁處轉向極化結構引起的不同針尖電壓下的場增強現象。

圖6. 轉向極化結構使疇壁導電

(a). 通過相場模擬計算四個不同位置的針尖尖端處電場強度。

(b). 不同針尖電壓下位置2-4處的電場增強。

(c). 通過圖2中測試確定的電疇和疇壁分布圖。

(d). 疇壁和疇內I-V曲線。

【小結】

該工作通過觀測電場改變鐵電疇壁拓撲結構提出了疇壁的導電機制。通過相場方法模擬針尖電壓導致的疇壁處極化現象，揭示了局域場導致的疇壁轉向極化結構增強界面處的電子電導。該機制可以解釋之前文獻中的一些矛盾之處，并且提示了在導電原子力測試中應該關注針尖上局域電場的作用。該機制也可以解釋其他鐵電材料的缺陷和疇頂點處的電導。

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

本文由材料人電子電工學術組二正正笑春風供稿，材料牛整理編輯。

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