【半导体原位表征】Nat. Commun. :北京大学利用原位TEM观测电场调控孤立三重极性顶点的形核和移动


发布时间:

2022-11-30

极性拓扑结构在高密度存储器和新型电子器件等领域具有很大的应用潜力是铁电材料的研究热点。

极性拓扑结构在高密度存储器和新型电子器件等领域具有很大的应用潜力是铁电材料的研究热点。探究外场例如:电场、应力激励对拓扑极性结构的影响以及当中的动力学过程对它们的实际应用至关重要。近年来,得益于材料生长技术和显微表征技术的发展,通过调控铁电材料的应力边界条件和电场,研究人员在复杂氧化物超晶格和铁电薄膜中制备了多种极性拓扑结构,比如极性涡旋(Polar Vortex)、极性顶点(Polar Vertex)、极性斯格明子(Polar Skyrmion)和极性半子(Polar Meron)等,这些极性拓扑结构有望用于超高密度存储器件。相关研究成果:

1、Nat. Commun. 2020, 11, 1840

2、Proc. Natl. Acad. Sci. 2020, 117, 18954

3、Phys. Rev. Lett. 2022, 129, 107601

4、Nature Materials, 2020, 19(8): 881-886

近日,北京大学高鹏教授同合作者以三重极性顶点结构为模型研究了单个极性拓扑结构的动力学特性。三重极性顶点一般在绝缘衬底上才能稳定存在,但是绝缘衬底使得不能有效施加电场从而无法实现电场调控的研究。他们利用界面元素的自发互扩散来调整界面的极化电荷屏蔽程度,实现既能够稳定这种极性拓扑结构,又能够施加电场。PbTiO3/SrRuO3界面处的晶体结构和元素分布表明Ti元素扩散到了SrRuO3中对Ru元素进行了部分替代,在PbTiO3/SrTiO3界面产生了约2个晶胞厚度的SrTiO3绝缘层(Fig. 2),为三重极化顶点结构的形成提供了所需的电场边界条件。同时较薄的SrTiO3层为通过探针和SrRuO3底电极对铁电薄膜施加电场提供了必要条件。此外他们从晶格失配角度分析,认为来自DyScO3衬底的拉应力也为三重极性顶点的形成提供了应力边界条件。相场模拟结果验证了SrTiO3层的作用。

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随后他们利用原位透射电子显微技术手段研究了孤立三重极性顶点在电场作用下的产生和运动。如下图所示,利用原位透射电镜电学测量系统(安徽泽攸科技有限公司生产的PicoFemto®扫描探针类透射电镜原位电学测量系列产品),钨针尖作为上电极在PbTiO3上施加偏压,底电极SrRuO3接地,实时观察了电场作用下的畴结构演变(Fig. 3)。他们发现当电场诱导的180°铁电畴壁扩展到界面时,三重极性顶点结构开始形核。然后孤立的三重极性顶点在外电场的驱动下随着180°畴壁来回移动,高速度达到了约629 nm/s。相场模拟重现了电场驱动孤立的三重极性顶点结构的形核和移动过程。这个研究结果表明了孤立的三重极性顶点结构在电场下的移动能力,为单个极性拓扑结构的动力学特性和应用提供了有用信息。

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研究成果以“Electric-field control of the nucleation and motion of isolated three-fold polar vertices”为题发表在《Nature Communications》上。北京大学物理学院高鹏教授为论文通讯作者,北京大学研究生李明强为论文第一作者。合作研究人员包括台湾阳明交通大学Ying-Hao Chu教授团队,美国宾夕法尼亚州州立大学Long-Qing Chen教授团队,中国科学院物理研究所白雪冬研究员团队等。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-33973-8