科研人員對自組裝的BFO納米島陣列進(jìn)行了可逆極化翻轉(zhuǎn)特性的研究。他們借助原子力顯微鏡對樣品的電學(xué)特性以及機(jī)電耦合特性進(jìn)行了表征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這一體系可以創(chuàng)造出穩(wěn)定的導(dǎo)電疇壁，且其導(dǎo)電性可以變化約1000倍。

鐵電材料中的導(dǎo)電疇壁相當(dāng)于一種特定路徑的電荷傳導(dǎo)通路，可以用于實(shí)現(xiàn)超低功耗的非易失存儲器。然而，在極化翻轉(zhuǎn)的過程中對導(dǎo)電疇壁的具體位置以及導(dǎo)電性的**操控仍然具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。

來自中國清華大學(xué)以及其它幾所有名高校的研究人員通過探究鐵酸鉍材料的受控極化翻轉(zhuǎn)行為對這一熱點(diǎn)問題進(jìn)行了深入研究。其研究樣品為自組裝的斜方變形BFO納米島嵌入在鋁酸鑭上的四方變形BFO薄膜中。

研究人員通過afm原子力顯微鏡對樣品進(jìn)行了導(dǎo)電性以及局部機(jī)電耦合特性的表征，從而在納米尺度上對其電荷傳導(dǎo)以及極化行為進(jìn)行進(jìn)一步的研究。結(jié)果表明這一體系具有十字形的拓?fù)涫芟迣?dǎo)電疇壁結(jié)構(gòu)，且其具有兩種穩(wěn)定的電畤形態(tài)。在這兩種極化形態(tài)間的可逆轉(zhuǎn)換可以改變導(dǎo)電疇壁的導(dǎo)電性，且其變化值超過了1000倍。

研究人員對樣品進(jìn)行了超過100次的強(qiáng)/弱導(dǎo)電性狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并對電流進(jìn)行測量，其測量結(jié)果在幾個月的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)仍能保持穩(wěn)定。這一實(shí)驗(yàn)所展示出的高度可重復(fù)性與穩(wěn)定性使得新型鐵電納米器件的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)成為了可能。

研究人員通過儀器多場耦合原子力顯微鏡的導(dǎo)電模塊獲取了樣品的電流圖以及電流-電壓曲線。他們使用了鉑//銥鍍層探針作為頂電極。ORCA模塊在超過四個數(shù)量級的寬廣測量范圍下仍能保持很低的噪音水平，從而確保**的測試結(jié)果。研究人員還通過本系統(tǒng)的壓電力顯微鏡研究了樣品的局部機(jī)電耦合特性。他們分別獲取了樣品的面內(nèi)以及面外PFM圖像，且在面內(nèi)測試時對樣品進(jìn)行了不同角度的旋轉(zhuǎn)，從而表征出了樣品電畤的三維結(jié)構(gòu)。上述實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了儀器系統(tǒng)強(qiáng)大的多功能性以及穩(wěn)定的高性能。

Citation:

J. Ma, J. Ma, Q. Zhang et al., Controllable conductive readout in selfassembled, topologically confined ferroelectric domain walls. Nat. Nanotechnol. 13, 947 (2018).

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