北大高鵬研究員Acta Mater.: PbTiO3薄膜中鐵彈疇轉變的直接觀察及弱界面釘扎效應的機制探究

【背景介紹】

鐵彈疇由于其極化和應力之間的耦合從而引起豐富的物理現象，在傳感器、驅動器以及納米電子器件等領域具有很大的應用潛力，成為鐵電領域的研究熱點。比如鐵彈性疇壁可以顯著增強鐵電材料的介電常數和壓電響應；鐵彈性疇的轉變是控制多鐵質異質界面磁電耦合的關鍵，同時鐵彈疇壁本身也具有很多新奇的物理性質。因此，實現外場對鐵彈疇的調控以及理解鐵彈疇轉變的物理機制至關重要。然而，在鐵電薄膜中，鐵彈疇一般被認為受到襯底鉗制和缺陷釘扎而不能轉變。雖然有很多報道觀察到了鐵彈疇壁的移動，但是大部分都是不完全轉變，當外場撤去之后，鐵彈疇又返回到初始的狀態。而且很多實驗都是基于表面探測技術，比如壓電力顯微鏡，這些手段在探測疇壁動力學過程以及界面原子結構方面受到很大的限制，因此鐵彈疇轉變的動力學過程以及界面等缺陷對于鐵彈疇壁移動性的影響仍需進一步研究。

【成果簡介】

最近，北京大學高鵬研究員團隊報道了直接觀察單個鐵彈疇的可逆轉變，并研究了鐵彈疇壁高移動性的原子尺度機理。 在這個工作中，他們結合原位電鏡技術和圖像的定量化分析，在沒有位錯的PbTiO₃薄膜中直接觀察到了單個90°疇的可逆轉變過程。通過對比轉變前后界面的原子結構，他們提出弱化的界面鉗制效應是鐵彈疇可以完全轉變的主要原因。結果表明，鐵彈疇在靠近界面處，極化會發生大角度（約45°）的旋轉，同時四方性（c/a）也會受到抑制，減小為~1.017。這些界面處巨大的結構畸變弱化了界面鉗制效應，使鐵彈疇的完全轉變成為可能。相場模擬結果也展示了鐵彈疇在界面處的極化旋轉和應力分布。進一步的研究表明，無論c疇的極化方向是遠離界面還是指向界面，鐵彈疇的都是可以轉變的，而且反向的電場或者應力可以使轉變的鐵彈疇恢復。這項研究揭示了鐵彈疇的完全可逆轉變及轉變的原子尺度機制，使其能夠在設計新的驅動器、傳感器和磁電器件等方面得到應用。相關成果以“Direct observation of weakened interface clamping effect enabled ferroelastic domain switching”發表于Acta Mater.期刊上。

【圖文摘要】
【圖文導讀】

圖一、鐵彈疇結構和電致鐵彈疇轉變
（a）PbTiO₃薄膜中的鐵彈疇；

（b）面外極化c疇和面內極化a疇晶胞示意圖；

（c）正電壓下a疇轉變過程的TEM暗場像；

（d）負電壓下a疇轉變過程的TEM暗場像；

（e）a疇的寬度和長度隨外加電壓的變化趨勢；

（f）由電場驅動的單個鐵彈性疇的兩級轉變過程示意圖。

圖二、鐵彈疇原子結構
（a）原子位移矢量分布圖；

（b）圖（a）中的三個標記區域取平均的PbTiO₃單胞；

（c）相場模擬a疇極化分布；

（d~e）面內、面外晶格常數分布；

（f）c/a分布；

（g）面內、面外晶格常數定量分析；

（h）模擬a疇面外方向的應力分布。

圖三、轉變過程中界面的原子結構演變
（a~b）轉變前（a）、后（b）相同區域的HAADF-STEM圖像；

（c~d）分別與（a）和（b）對應的面外晶格參數圖；

（e~f）分別與（a）和（b）對應的面內晶格參數圖；

（g）面外晶格常數的定量分析；

（h）面內晶格常數的定量分析。

圖四、電、力調控的a疇恢復
（a）a疇轉變之后的明場TEM圖；

（b）電場導致a疇恢復過程；

（c）a疇轉變之后的明場TEM圖；

（d）在外力作用下a疇恢復過程；

（e~g）利用GPA得到的晶格旋轉圖，對應a疇的初始(e)、轉變(f)和恢復(g)狀態；

（h）a疇在轉變過程中寬度的變化。

【小結】

綜上所述，作者利用原位電鏡技術和圖像的定量化分析，通過對PbTiO₃薄膜中90°疇可逆轉變的直接觀察，揭示了鐵彈疇轉變的機制。作者發現鐵彈疇的可轉變能力源于沒有位錯釘扎以及弱化的界面鉗制。界面處極化旋轉和四方性減小與相場模擬的結果一致。鐵彈疇的轉變是完全可逆的，應力和電場都可以使轉變的鐵彈疇恢復。界面處的原子結構變化表明界面鉗制效應并不像普遍認為的那么強，澄清了之前實驗觀察中的爭議。作者認為。可控且可逆的鐵彈疇轉變為鐵電薄膜在納米多功能器件中的應用提供了新的思路。

文獻鏈接：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）

團隊介紹：高鵬研究員課題組屬于北京大學量子材料科學中心和電子顯微鏡實驗室。課題組的主要研究興趣是發展和利用有特色的電子顯微學和譜學手段來研究量子材料的結構物性。主要的研究方法包括高空間分辨的圖像定量分析、高時間分辨原位局域場探測、高能量分辨的電子能量損失譜學。主要研究的體系有氧化物缺陷與薄膜界面的結構物性、固態離子遷移行為、輕元素材料物理器件等。詳情查看主頁：http://www.phy.pku.edu.cn/~pgao/home.html

團隊在該領域的工作：高鵬研究組近幾年一直致力于低維鐵電物理的研究，主要是基于圖像定量化分析、原位動力學探測等先進的電子顯微學技術研究鐵電材料的缺陷結構和鐵電疇翻轉的動力學過程，主要成果包括界面對鐵電疇形核的影響【Nat. Commun. 2, 591 (2011)；Science 334, 968 (2011)】、位錯和點缺陷等和疇壁的相互作用【Nat. Commun. 4, 2791 (2013)；Nat. Commun. 5, 3801 (2014)； Acta Materialia 170， 132 （2019）】、鐵電疇壁穩定性問題【Adv.Mater., 24， 1106 （2012）】、鐵電薄膜表面和界面原子結構分析【Nat. Commun. 7, 11318 (2016)； PRB Rapid Commun. 97, 180103 (2018)】、超薄鐵電薄膜中臨界尺寸問題【Nat. Commun. 8, 15549 (2017)】、位錯撓曲電效應的原子尺度測量【PRL 120, 267601(2018)】等。

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