Nature子刊：由電場控制的間金屬薄膜中的電性可逆裂紋

【引言】

近來，將相變磁性間金屬合金薄膜與功能性鐵電體氧化物結合在一起，通過小電場控制可以有效調控間金屬間的磁性和電阻率，為低耗能存儲器應用提供了良好的前景。另外，鐵電氧化物的壓電效應已被廣泛應用于機械能量收集，機械傳感器和電機中。然而，鐵電陶瓷在循環電場下會由于微觀內部應力而產生裂紋，這在大多數鐵電應用是有害的。

由于表面缺陷對鐵電疇的釘扎作用，鐵電材料中部分疇不能在外加電場下自由反轉。當給鐵電材料施加周期性外加電場時，可自由反轉和不能反轉的疇交界處就會積聚很大的內部應力，當這種內部應力對應的彈性能高于鐵電材料的表面能時，鐵電材料表面就會出現納米或者微米尺度裂痕。這些裂痕在周期性電場下會可逆開關并且會進一步生長擴展，對很多應用非常有害。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學劉知琪(通訊作者)在頂級期刊Nature Communications發表了題目為“Electrically reversible cracks in an intermetallic film controlled by an electric field”的文章，報道了一種新型的由間金屬薄膜和鐵電氧化物組成的異質結構，用于室溫記憶的應用研究。

【圖文導讀】

圖1. 35nm厚的MnPt / PMN-PT異質結構的橫截面結構表征

圖2. 室溫下進行巨電轉換實驗

a.在PMN-PT中產生裂紋的電波形

b.電阻測量幾何的示意圖

c.通道電流I_sd的重復和可再現的切換作為柵極電場E_G的函數，在300K下由V_sd = 0.1V的測量

d.最后一次掃描的PMN-PT襯底中的對應開關電流

圖3.在掃描柵極電場EG之后，在MnPt膜中的單個裂紋的由電場驅動的可逆裂紋原子力顯微鏡圖像（5×5μm²）

a.從+3.3 kV / cm到0 kV / cm

b.從-3.3kV / cm到0kV / cm。

c，d.示意圖顯示（001）PMN-PT表面上的電場（E）誘導的可逆和非易失性裂紋形成和閉合可由可逆的和非易失性E誘導的109°偏振轉換產生。

e.當應變為ON（第一行中的第一個圖像）和OFF（剩余圖像）時裂紋演變的相位場模擬。彩條顯示相位變量的大小，在裂紋區域為1，在PMN-PT中為0，并且在其界面上連續變化

圖4. 破解增長動態和耐力測試。

a. 在不同的循環場頻率下裂紋擴展長度與電循環次數的關系，三角波周期電場的幅值為1.3kV / cm

b. 0.1V測量的雙探針電阻與單個裂紋上的柵極電場脈沖數的關系，脈沖寬度為10μs，振幅為1.3kV / cm

c. 單個裂紋的不同阻力狀態的保留長達60天

【小結】

本文研究報告了一個在小電場（-0.83kv/cm）驅動的鐵電基片上生長的間金屬薄膜中的納米級裂紋的電可逆打開和關閉。通過在鐵電氧化物單晶襯底上集成適度力學延展性能的間金屬薄膜，外部電場驅動的鐵電氧化物中的裂紋的機械開合可以通過界面應變轉移到金屬間化合物薄膜中，然后鐵電氧化物有效地作用以類似于打開/關閉電斷路器的方式機械地打開和閉合金屬間薄膜中的裂縫，室溫下在金屬間化合物薄膜的裂紋上測定得到了10⁸以上的非易失性巨電阻的開關比。 低頻電壓循環容易形成裂縫，并在高頻率工作時保持穩定，這為下一代高頻率存儲器應用提供了有吸引力的潛力。此外，耐久性測試表明，這種裂紋的開啟和關閉可以在10μs的脈沖下達到超過10⁷個周期，也不會造成災難性的失效，這一研究“變害為利”，為信息存儲開辟了新途徑。

文獻鏈接：Electrically reversible cracks in an intermetallic film controlled by an electric field

（Nat. Commun.，2018，DOI：10.1038/s41467-017-02454-8.）

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本文由材料人編輯部金屬學術組張潤凱編譯。

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