铁电域超奇星

08-03-2021.

铁电材料表现出复杂的畴结构,可以通过剪裁其电气或机械边界条件来控制。在由超薄金属和铁电层组成的人工分层的超晶片中,铁电域的三维排序导致域的“超复古”。

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在过去的二十年中,铁电域和领域墙已经被证明是一个迷人的游乐场,用于探索创造功能材料和设备的新方法[1]。各个域墙,其中局部对称与批量不同,可以托管与主机材料完全不同的属性。例如,铁电畴壁可以比它们分开的域更大的级,提供瞬态或可重构电子设备的前景,其中通过应用电场在将在将在将产生和破坏各个导电元件的前景。另一个新颖功能的路线是利用致密域结构中畴壁的集体动态。超细结构的畴壁在超细电池的异质结构表现出高度不均匀的旋转偶极子模式,这些旋转偶极物在散装材料中不可能。这些畴壁的动态可以导致极大的介入性,甚至是所谓的负电容行为[2]

对这些域模式的大部分研究集中于由交替的超薄铁电和介电层组成,其中介电层在铁电偏振中引入不连续性,并诱导最小化系统静电能量的结构域的形成。得到的致密,周期性纳米域模式及其对外部刺激的响应特别适合使用衍射技术表征[3,4]。然而,这种结构域模式对游离载体的存在的响应已经不太良好探索。

在这项工作中,由铁电PBTIO组成的超晶格中的域形成3.和金属srruo.3.沉积在Dysco上的层3.使用Beamlines的同步X射线衍射实验的组合研究了基材ID01.BM02,结合压电响应力显微镜,透射电子显微镜和相场建模。尽管存在金属筛选,但发现所有超晶格中的铁电层形成畴,由于金属 - 铁电界面处的偏振的渗透性筛选,而不是平面外偏振的结构域[5]。然而,虽然具有较薄的铁电层的超晶格表现出常规涡旋状域结构的签名,但在具有较厚层的样品中,出现了非常不同的畴结构,沿着面外方向加倍超晶格周期性(图1)。这种周期性结构的非常尖锐的峰值表明,这种新阶段在所有三个方向上高度达到,并且在超晶格的整个厚度上相干。

hadjimichael_fig1.jpg.

图。1:超晶相的X射线衍射特征。互惠空间地图(一种)qy-qz和(公元前)002PC布拉格峰的QX-QY平面PBTIO的峰值3./ srruo.3.超晶格,由于高度有序的三维域结构,具有尖锐的卫星峰。d)QX-QY平面中的互焦空间映射在1̅03PC布拉格峰值上显示出由于复杂的倾斜图案而产生的卫星。

为了理解产生这种复杂的往复空间结构的3D偏振布置,使用压电响应力显微镜和扫描透射电子显微镜进一步研究超晶片。组合来自这三种不同技术的信息揭示了一种高度有序的域'超复古'结构,如图所示图2A2B.。这种偏振图案与相位场模拟的优异一致性,进一步揭示了在施加的场中,超频道中的域壁位移导致沿着所有三个空间方向增强铁电层中的介电常数。此外,发现超晶结构独立于间隔层的类型出现,并且在金属Srruo的超晶格中观察到3.用绝缘srtio替换3.,或细时期pbtio3./ srtio.3.垫片。

出现超晶结构,以最小化静电和弹性能量。由基材施加的拉伸错配应变有利于具有由{110}畴壁分开的平面内和平面外偏振的结构。然而,由于铁电 - 金属(或铁电介质)接口处的筛选不良,因此不能在各个层内保持极化的非零平面分量。因此,铁电层分成平面内和外平面的磁通件圆盘,如图所示图2B.。该畴结构的特征在于周期性变形,具有晶格的交替膨胀和收缩,以最小化由基板施加的错配应变以及与单个平面外极化相关的静电能成本。这些扩展和凹陷通过整个超晶格耦合并创建了三维域结构。

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图2一种)三维域结构的草图,箭头指示每个域内的自发极化的方向。b)二维素描显示交替的平面内和外平面的通量闭合域,导致扭曲的扭曲(C)d)顶部:高分辨率扫描透射电子显微镜图像PBTIO之间的接口图像3.和srruo.3.显示晶格的弯曲。底部:每个原子平面中的局部曲率。

重要的是,不同铁电层之间的耦合导致srruo的周期性弯曲3.垫片层为了匹配PBTIO的变形3.层。这施加了10级的大量曲率7.m-1这导致金属层中的大应变梯度(图2C.2D)。应变梯度自然中断任何材料中的反转对称,可以导致一系列新颖性质,包括半导体中的大屈光度响应,非铁电材料中的散装光伏作用以及金属系统中有趣的传输性能。因为间隔层的曲率由铁电畴结构诱导,所以它可以使用电场进行修改。因此,将铁电材料与不同间隔材料组合的这种超晶,提供了一种制服大范围氧化物的电子结构的新方法,并探讨各种应变梯度诱导的现象。


主要出版物和作者
金属 - 铁电超晶与周期性弯曲金属层,M. hadjimichael(A,B),Y.Li(A),E.Aatterin(A,C),G.A。Chahine(C,D),M. Conroy(E),K. Moore(E),E.N.O'Connell(e),P. Ondrejkovic(F),P.Marton(F),J. Hlinka(F),U.Babert(E),S. Leake(C),P. Zubko(A),NAT。母娘。(2021);https://doi.org/10.1038/s41563-020-00864-6
(a)伦敦伦敦大学伦敦大学(英国)的纳米技术和天文学系中心
(b)日内瓦大学量子物理系(瑞士)
(c)ESRF
(d)UniversitéGrenobleAlpes,CNR,Grenoble(法国)
(e)利默里克大学伯纳研究所物理系(爱尔兰)
(f)布拉格(捷克共和国)捷克科学院物理研究所


参考
[1]加泰罗尼亚语等,rev. mod。phys84.,119-156(2012)。
[2] J.íñiguez等,NAT。申请4.,243-256(2019年)。
[3] M. Hadjimichael等,物理。rev. lett.120.,037602(2018)。
[4] P. Zubko等,物理。rev. lett.104.,187601(2010)。
[5] M. Hadjimichael等,物理。申请4.,094415(2020)。