我校材料科学与工程学院施奇武副教授与美国加州大学伯克利分校R. Ramesh教授课题组、宾州州立大学L. Q. Chen教授课题组等合作,在Nature Communications期刊发表题为“The role of lattice dynamics in ferroelectric switching”的研究论文。该工作通过实验与理论计算结合,较基础性的阐明了外延衬底clamping束缚对铁电(多铁)薄膜极化开关特性的影响机制,提出了大幅降低BFO铁电极化开关电压的新途径。施奇武副教授为论文第一作者和共同通讯作者。
BiFeO3(BFO)是已知的唯一具有室温磁电耦合的单相材料,且具有较大的铁电极化,可在室温实现电写磁读,是用于研发后摩尔时代低能耗、高读写速度、高密度信息存储以及自旋电子器件等的理想材料。降低BFO薄膜的铁电极化开关电压是其进一步实现超低能耗电子器件的关键。现有研究通过减小薄膜尺寸、化学掺杂、外延调控等,可以将BFO的极化开关电压降低至200 mV左右,但尚无法突破该极限。
该研究基于脉冲激光沉积系统设计制备BFO/锶钌氧(SRO)/镧锶锰氧(LSMO)/钛酸锶(STO)高质量外延薄膜,将LSMO层刻蚀掉后,通过lift-off工艺将薄膜从STO衬底剥离、实现freestanding状态,随后转移至Pt/Si衬底(图1);在此过程中,BFO仍保持良好外延特征,但是发生轻微晶格畸变,c值减小、a值增大,表现出无衬底束缚后的relaxed特性。结合PFM测试和相场模拟发现,去除衬底束缚后,BFO中发生铁弹畴消失和铁电畴长大(图2a、b),可以由此减小BFO铁电极化翻转过程中畴长大遇到的阻力。进一步通过超快铁电极化特性测试分析,证实freestanding可以大幅降低BFO的铁电极化开关电压约40%(图2c、d),并可提高极化开关速度约60%(图2e、f)。研究成果为进一步实现超低功耗铁电(多铁)器件提供了普适性的试验和理论依据。
图1 BFO外延薄膜的HR-TEM结构(a),无衬底束缚(b)及衬底束缚(c)状态示意图 图2 BFO外延薄膜从衬底lift-off前(a)、后(b)的PFM图;不同厚度BFO薄膜从衬底lift-off前后的极化强度-电压(P-V)图:(c)60nm厚度、(d)30nm厚度;(e-f)不同厚度薄膜lift-off前后的极化开关速度变化情况 该研究得到“四川大学优秀青年教师国际名校、名师访学”项目、四川大学双百人才计划(B类)的支持。
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-28622-z
文章来源:四川大学
黄婉霞,女,教授/博导,民进四川省委委员暨科技委员会副主任,民进四川大学委员会副主任,成都市人大代表暨城乡建设环境保护委员会委员,第十届全国青联委员,四川省“三八红旗手”,中国科协八大代表,四川省科青联常务理事,攀钢(集团)公司技术专家,钒钛资源综合利用国家重点实验室客座专家,成都市机械工程学会材料及热处理分会理事。
施奇武,副教授、博士生导师。四川大学材料学博士(2013年)、凝聚态物理专业博士后(2015年)、加州大学伯克利分校访问学者(2019年7月-2020年7月)。四川大学双百人才,教育部博士研究生学术新人奖获得者(2012年度)。主要从事材料与太赫兹波交互作用的多学科交叉领域研究。主持国家自然科学基金联合基金项目、青年科学基金项目、国际(地区)合作与交流项目、四川大学引进人才科研启动经费资助项目等多项。在Applied Physics Letters、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry C等刊物发表一作/通讯SCI收录论文四十余篇,获授权国家发明专利9项。
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