悉尼大學廖曉舟教授課題組Nat.?Commun.：鐵電退化的微觀機制

【引言】

鐵電材料在納米電子器件中的地位越來越重要，然而由循環電場加載導致的極化翻轉失效問題，即鐵電退化，制約著基于鐵電材料的納米電子器件的發展。鐵電退化會改變鐵電材料的諸多物理性能，包括矯頑場，剩余極化強度等，導致鐵電材料使用壽命的縮短，影響了納米電子器件的可靠性和穩定性。隨著鐵電材料在納米電子器件中的需求越來越高，對于循環電場加載導致的鐵電退化問題的研究變得迫在眉睫。

【成果簡介】

近日，澳大利亞悉尼大學廖曉舟教授（共同通訊作者）課題組的黃芊蔚博士（第一作者）和陳子斌博士（共同通訊作者）等人在國際頂級期刊Nature Communications期刊上發表了題為Direct observation of nanoscale dynamics of ferroelectric degradation的論文。在這項工作中，作者首次報道了由循環電場加載導致的鐵電退化的微觀機制。文章作者使用基于MEMS芯片的原位透射電子顯微技術對單晶鐵電材料Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.38PbTiO₃（PMN-0.38PT）實時觀測在循環電場加載下鐵電疇結構的演化。他們發現隨著電場加載周次的增加，在樣品初始90°疇壁處出現了新疇。選區電子衍射證實了這些新疇的極化方向為面外，即垂直于初始90°疇的疇向。進一步研究表明，循環電場加載下鐵電疇壁處電荷密度的增加導致了這些新疇的形成和長大。疇壁處產生的電荷對新疇的極化電荷形成補償，穩定了這些新疇，而這些新疇對外加電場不再響應，導致了鐵電退化的發生。這個發現在納米尺度上揭示了鐵電退化的一個機制，對鐵電材料的疇壁，界面乃至邊界處在循環電場下鐵電疇翻轉行為作出了深度解讀。

【圖文導讀】

圖1. 原位TEM的實驗裝置示意圖和原始a₁/a₂?90°疇的確定。a?實驗裝置示意圖。聚焦離子束制備的PMN-0.38PT樣品被固定在兩鉑電極之間。循環電場沿著樣品的 ±?[100]晶向被施加到樣品上。圖中黃色，紫色和藍色箭頭代表a₁?(a₁⁺/a₁^-), a₂?(a₂⁺/a₂^-) 和?c?(c⁺/c^-)疇的極化方向，分別為沿著± [100], ± [010] and ± [001]的方向。b和c?PMN-0.38PT 中90°條帶疇的TEM圖以及相對應的電子衍射花樣圖。d和e?a₁/a₂疇在[001]方向投影的晶格示意圖以及相對應的電子衍射花樣示意圖。僅憑借電子衍射花樣圖并不能區分實驗中的a₁/a₂疇為a₁⁺/a₂⁺疇還是a₁^-/a₂^-疇。根據a₁疇在正負電場下的翻轉行為進一步確定，實驗中的a₁/a₂疇為a₁⁺/a₂⁺疇。

圖2. 循環電場加載下c疇的形成。a?PMN-0.38PT的疇結構在循環電場下演化的衍射襯度圖以及對應的示意圖。粉色雙箭頭代表電場施加方向。b和c?圖a中綠色和紅色圈內的疇的電子衍射花樣圖，兩幅圖中的衍射斑點分別往[100]^*?和 [010]^*?方向分立。d和e??a₁⁺/c?和?a₂⁺/c疇在[001]方向投影的晶格示意圖以及相對應的電子衍射花樣示意圖。f?c疇投影面積隨著循環電場次數增加呈指數增長。

圖3. 循環電場加載下疇壁處的電荷累積。a和b?循環電場加載前后樣品差分相襯度像表達的電場圖。輪盤的顏色和強度分別代表電場的方向和強度。c?圖b和圖a的灰度差圖，白箭頭代表了經過循環電場加載后強度顯著改變的區域。d和e循環電場加載前后的樣品的衍射襯度圖沒有明顯變化，說明局部電場強度的改變并沒有改變樣品結構。f?循環電場加載前（藍色）后（紅色）疇壁處的電子能量損失譜。循環電場加載后等離子體共振峰能量偏移1.2 eV，說明疇壁處電荷密度的改變，進一步證實了差分相襯度像表達的結果。

圖4. 補償電荷使c疇穩定以及c疇無法對外加電場形成響應。a?c疇在原始a₁/a₂?疇壁處的形核。b?樣品表面電荷補償了c疇的極化電荷，使c疇穩定。c?c疇對外加電場的響應。鐵電退化形成的c疇無法對外加電場響應。

【小結】

綜上所述，作者在透射電子顯微鏡中利用衍射襯度成像、電子衍射、差分相襯度成像、電子能量損失譜和原位電子顯微技術觀察了在循環電場下的鐵電疇翻轉，提出了鐵電退化的微觀機制。循環電場導致電荷在疇壁處累積，促使了疇壁處新鐵電疇的形成。疇壁處產生的電荷對新疇的極化電荷形成補償，穩定了這些新疇，而這些新疇對外加電場不再響應，是導致鐵電退化的一個重要原因。該工作揭示了鐵電材料在循環電場下疲勞退化的新機制。

這項工作的合作者還包括悉尼大學Matthew Cabral博士，Simon Ringer教授，Yiu-Wing Mai教授，上海師范大學王飛飛教授，臥龍崗大學張樹君教授，西安交通大學李飛教授，美國西北太平洋國家實驗室李玉蘭博士和上海硅酸鹽研究所羅豪甦教授。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22355-1

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