铁电纳米岛中导电畴壁的外场调控

近年来,铁电畴壁的新颖物理特性和“畴壁电子学”引起了一阵研究热潮。铁电畴壁是分隔相邻极化电畴的界面,可以看作一种二维拓扑缺陷。由于电极化在几个晶格宽度的畴壁处急剧变化,导致在畴壁处产生与块体显著不同的性能,而这种超小的功能畴壁被视为新型电子器件的“砖块”,并催生出“畴壁电子学”的科学领域。尤其是铁电畴壁具导电性,形成可受外场调制产生和擦除,及非破坏性读取的导电通道,有望用于新一代纳米级的信息存储器件。而如何有效控制畴壁,以及如何构建高密度的畴壁器件结构是当前所面临的关键问题。

华南师范大学先进材料研究所高兴森研究员课题组则通过把导电畴壁囚禁于高密度度阵列的纳米岛中来实现畴壁的有效调控,并提出垂直架构的多态畴壁高密度存储器件的设想。首先通过纳米微球模板辅助刻蚀法制备出高质量外延的铁酸铋纳米点,并采用压电显微镜与导电原子力显微镜来观察畴壁。在纳米点阵列中可清晰地观察到不同类型的导电畴壁,包括头对头电荷型畴壁、锯齿形畴壁、以及71°头对尾中性畴壁。这些畴壁也表现出不同的电导特征,如头对头电荷型畴壁的导电性最高,探测电流高达nA量级,显示出金属型的准二维电子气特征,而中性畴壁的电导较小,电流约10pA量级,显示出热激发电导特征。这为进一步通过调控畴壁类型来调控纳米点的导电态提供了机会,如通过不同的扫描偏置电压可以对单个纳米岛的导电畴壁态进行调控,实现了四种不同的畴壁导电状态之间的切换。研究还揭示了外电场通过注入和捕获电荷来调控畴壁态的微观机制。这些结果为建构超高密度畴壁存储器件开辟了新途径,如设计垂直架构的非易失性畴壁电导存储器。论文在线发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201807276)上。