BiFeO3薄膜中的铁电畴壁: 了解它、操控它 | NSR研究论文

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铁电材料具有优异的光电、压电、铁电性能，可应用于储能、开关、调制、换能等领域。铁电材料中不同铁电相（畴）之间的过渡区域被称为畴壁。作为一种二维结构，铁电畴壁拥有不同于体材料的独特电学、磁学和机械性质，因而成为近几年炙手可热的研究方向。

然而，在将畴壁作为独立单元应用于纳电子器件之前，我们还必须进一步了解其内禀特性对畴壁运动和生长的影响，从而实现对畴壁的操控与应用。

南京大学吕笑梅教授课题组和美国罗格斯大学、中国科学院深圳先进技术研究院、美国华盛顿大学等多个单位合作，利用基于原子力显微镜的三维电畴表征方法，对外延BiFeO₃薄膜中不同类型畴壁的动力学特征进行了观测和统计学分析。

研究者发现，在（001）方向的铁酸铋外延薄膜中，不同带电性的（头对头、头对尾、尾对尾）畴壁在外加电场驱动下的动性各不相同。其中：

• 低电压下，电中性的头对尾畴壁动性较大，而总长度较长的带电畴壁（头对头和尾对尾）的移动则被荷电缺陷所限制；

• 高电压下，带电的尾对尾畴壁其动性和平均长度最大。

结合高分辨X射线频谱，以上现象被认为与带电畴壁的高成核能和低生长能有关。

（a）3.4 V和（b）5.8 V极化后的电畴构型。由深至浅四种灰度分别代表不同极化方向的电畴。头对头、头对尾和尾对尾畴壁分别由橙色、浅蓝色和紫色线条标出。

研究者进一步设计了两步极化法，先后使用较小和较大的电场对薄膜表面进行探针极性扫描，生成了排列整齐的长条形尾对尾畴壁作为导电通路，且畴壁取向能够随探针扫描方向而改变，实现了铁电畴壁的方向和形态控制。

由两步极化法生成的有序分布的长条形尾对尾畴壁

该工作揭示了畴壁动性与畴壁附近电荷聚集状态的紧密关联，展现了对铁电畴壁的微观操控性，对铁电畴壁在自旋电子学、存储和通讯型纳米器件领域的应用具有重要意义。

论文信息

Dynamics and manipulation of ferroelectric domain walls in bismuth ferrite thin films

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz176

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