Annalen der Physik (ADP): 绝缘铁酸铋材料中71°畴壁附近显著增强的局域导电性及存储应用

畴壁拥有非常丰富的物理现象,包括WO3中的二维超导、反铁磁TbMnO3中的磁性和铁电畴壁的导电性等等。特别地,局域导电性强的铁电畴壁在新型存储器件上有着巨大的应用前景从而掀起了一阵研究热潮。在众多铁电材料中,铁酸铋BiFeO3因其室温多铁性而备受关注,不仅展现出许多优越的物理性质,而且在新型传感技术、信息存储技术、纳米电子技术、自旋电子技术等领域上拥有广阔的应用潜力。Seidel等人发现铁酸铋BiFeO3中畴壁具有导电性,这为实现基于畴壁的器件提供了可能性,从而开启寻找拥有强导电性的铁电畴壁的新征程。

为了提高BiFeO3薄膜中畴壁导电性,通常有着两种途径。一种途径是掺杂以及增加氧缺陷。另一种途径是利用探针诱导出头对头的极性畴壁。通过施加了电压的探针沿着特定方向运动,可以调控出确定极化取向的翻转铁电畴,从而调控出头对头的畴壁。目前,基于头对头畴壁,有一些研究组已经设计出一些相应的模型器件。相比于头对头畴壁而言,非极性71°畴壁往往更加稳定。如果能够增强71°畴壁导电性,将会具有重大的应用价值。研究者发现氧缺陷对畴壁导电性增强具有重要作用,另外在(001)晶向超薄的BiFeO3薄膜中71°畴壁的导电性会因为畴壁发生扭曲而得到增强。

清华大学于浦教授及其团队通过联立压电力显微镜(PFM)和导电原子力显微镜(c-AFM)两种测量手段,首次发现了BiFeO3薄膜表面上非极性71°畴壁附近出现的强导电性来源于亚稳态纳米畴的形成,揭示出原铁电畴整体极化向下的区域在畴壁附近出现了极化向上的纳米畴。同时,相场模拟结果也表明在样品表面上施加小于矫顽场的电场时畴壁附近能够出现纳米畴。最后,根据I-V曲线拟合,证实了铁电畴的面外极化取向能够通过改变探针与样品之间的肖特基势垒高度从而使得极化向上的纳米畴产生增强的导电性。该研究结果为亚稳态的纳米畴在畴壁导电性和铁电畴导电性这两个有趣的研究领域之间搭建起一座桥梁。