今日Nature Nano: 中国团队自组装拓扑保护铁电纳米岛,调控畴壁电导 | 大家访谈

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铁电畴壁电子学自2009年提出以来，取得诸多的进展。今天，Nature Nanotechnology在线发表以清华大学和北京师范大学为首的研究团队在这一领域的最新成果，题为Controllable conductive readout in self-assembled, topologically confined ferroelectric domain walls，为铁电畴壁电子学的应用更推进一步。请看知社深度报道和文末大家访谈。

铁电材料自1920年被发现以来，经过研究人员近一个世纪的探索，目前已经能够成熟广泛地应用于传感、驱动和储能等器件当中。但随着新时代信息技术发展，人们需要探索新的物理概念和材料体系，以解决传统的半导体或磁存储器件所面临的能源损耗问题– 据估算，到2030年，全球微电子器件将会造成2000亿美元以上的能源消耗。铁电材料在外加电场作用下体现出其自发电极化的回滞行为，有望应用于新型数据存储器件，从而大幅度降低能耗。

相比于其他存储技术而言，铁电存储器采用电场对数据单元进行控制，能大大降低由电流控制所引起的焦耳热，有望在未来低能耗电子器件中发挥重要的作用。因此，国际上诸多科研和工业机构，如英特尔、东芝、和三星等，都对此投入了极大的关注和热情。然而，铁电存储器信息读取过程相对复杂，需要额外的极化翻转，大大降低了器件潜在的工作寿命。因此，如何实现铁电存储器无破坏的信号读取是近10年来研究人员关注的重点和难点。

铁电畴壁是电畴之间极化电荷不连续的区域，厚度一般小于几纳米，而且可以受外电场控制。2009年，加州大学伯克利分校Ramesh组发现在绝缘的铁电材料中，其畴壁具有一定的电荷传输能力，赋予了未来铁电存储器新的信息读取方式。这极大激发了人们对铁电畴壁的研究兴趣，世界各地研究小组利用透射电镜和扫描探针等显微技术，相继取得一系列关于铁电畴壁结构及其导电行为的研究突破。特别是在2017年，澳大利亚新南威尔士大学与中国科学院深圳先进技术研究院和湘潭大学合作（Science Advance, 2017），以及复旦大学江安全组（Nature Materials，2017）相继报道了基于平行电极实现的畴壁导电调控，大大加快了畴壁作为铁电存储和逻辑器件应用的步伐。然而，如何以大面积、自组装的方式创造出稳定的铁电畴壁，进够实现对其纳米尺度导电通道的垂直调控，是通往高密度、稳定铁电存储器件必须解决的问题。

近日，来自清华大学、北京师范大学、中科院物理所、北京大学以及美国宾州州立大学的合作团队，发现利用脉冲激光沉积的方法，可以实现大面积、高密度和自组装的铁电BiFeO₃纳米岛（图1(a)），具有完全向心或离心的四瓣电畴结构。令人惊喜的是，这种拓扑受限的畴壁可与其周围电极化耦合，形成垂直电场可逆调控的畴壁电导，变化值高达1000倍（图1(b,c)）。

图1：（a）大面积自组装BiFeO₃纳米岛；（b）“头-头”相对铁电畴壁具有低的电导；（c）“尾-尾”相对铁电畴壁具有高的电导。电场调控高低电导相差3个数量级。

更关键的是，由于拓扑受限的原因，电场施加前后畴壁结构并未改变，这对以铁电畴壁为基础的电子器件和存储器件的开发至关重要。因此，在本工作中，研究人员实现了对大面积、高密度、自组装纳米岛上畴壁导电的控制（图2(a)），畴而且畴壁的导电特性及其开关调控是高度稳定的（图2(b,c)）。这一独特结构和物理现象将推动低能耗铁电畴壁电子学和存储器件的应用。在接受知社采访时，交通大学（新竹）朱英豪教授对这一工作做出高度评价：

“In the search of new pathway beyond CMOS technology, nanoelectronics based on ferroic domain walls shows great progress with promising feature. A two-terminal configuration with nanoscale feature represents the key advantage of these devices. However, the location of domain walls is easily perturbed by external field. In this study, attributed to a novel structure design, the location of domain walls is protected by topological boundary, suggesting a pathway to control the positions of these nano-elements. In addition, the controllable conduction with multiple states open an avenue to reconfigurable electronics at nanoscale.”

图2：（a）对自组装岛畴壁的大面积探测和调控；（b）畴壁高电导的稳定性；（c）拓扑受限畴壁高低电导的可调控性；（d）基于可调控拓扑受限畴壁电导的原型器件设计。

除此之外，这种自组装纳米岛阵列独特的生长方法，还将有望推广在其他薄膜体系，用以降低未来功能材料与高密度微电子器件集成的制造成本。同时，BiFeO₃作为优异的多铁性、光催化及半导体光伏材料，此拓扑受限铁电畴壁结构的发现，将加深人们对铁电低维结构的新认识，激发研究人员对纳米尺度下磁电耦合、自旋电荷输运、光伏及纳米催化等问题的更多思考。

南京大学刘俊明教授就此工作向知社做了点评：

这一佳作，在恰当的时机，由强大的团队，找到一个完美的制备条件窗口，得到漂亮的自组装纳米岛结构，并由此构造出四瓣铁电畴。这四瓣畴恰如其分地组合中一起，或首首相依，或首尾相印，在它们之间的畴壁小溪中营造出优越的生存环境，让载流子或迁徙，或安居。由此，我们可以获得不同的景象：阻变，磁性，输运甚至是拓扑。这是绝好的风景，等待研究人员继续开发。

清华大学南策文、马静和北京师范大学张金星设计了该研究工作。清华大学博士生马吉为论文第一作者，南策文和张金星为文章的共同通讯作者，于浦教授，陈龙庆教授，谷林研究员，高鹏教授以及他们的团队也都参与了这一工作。

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