近日，中國科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)通過激光法，創(chuàng)制了自支撐螢石結(jié)構(gòu)鐵電薄膜，并利用電子顯微鏡技術(shù)對(duì)薄膜中的一維帶電疇壁進(jìn)行了原子尺度的觀測(cè)和操控。

01

材料內(nèi)的“指南針”

物質(zhì)世界存在一類特殊的晶體材料——鐵電材料。其內(nèi)部由許多微小的電學(xué)“指南針”組成，這些“指南針”不指示南北，而指示正負(fù)電荷中心分離的方向，即自發(fā)極化的方向。

即使沒有外部電場(chǎng)，鐵電材料依舊能自發(fā)形成正負(fù)電荷分離且規(guī)則排列的極化狀態(tài)，同時(shí)其極化方向可借助施加外部電場(chǎng)來反轉(zhuǎn)。與指南針能夠吸引鐵質(zhì)金屬一樣，鐵電材料中的電學(xué)“指南針”也能夠吸引附近物質(zhì)中的電荷，因此，鐵電材料在信息存儲(chǔ)、傳感、人工智能等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

02

鐵電材料的“魔方”模型

在鐵電材料中，出于降低系統(tǒng)能量的需求，電學(xué)“指南針”并非全部同向排列，而是形成極化方向一致的鐵電疇和分隔不同鐵電疇的疇壁。

這種結(jié)構(gòu)就像一個(gè)魔方：當(dāng)所有小方塊顏色相同時(shí)，材料便是無疇壁的單一鐵電疇；當(dāng)不同顏色的小方塊（即不同極化取向的鐵電疇）組合在一起時(shí)，其界面就是疇壁。當(dāng)兩個(gè)鐵電疇的同一極拼在一起，疇壁因電荷聚集而不穩(wěn)定，需要特殊的“膠水”即電荷補(bǔ)償機(jī)制將它們“粘”在一起，使得帶電疇壁具有迥異于鐵電疇的物理特性。

同時(shí)，疇壁在三維鐵電晶體中用于分隔不同的鐵電疇，通常被認(rèn)為是二維面結(jié)構(gòu)， 其尺寸遠(yuǎn)小于疇且具有與疇不同的物理性質(zhì) ?？茖W(xué)家據(jù)此提出了疇壁納米電子學(xué)，希望基于疇壁工程來大幅提升器件性能。

▲鐵電“魔方”示意圖。每個(gè)小方塊類比原子晶格，方塊的顏色類比極化狀態(tài)，相同顏色的小方塊組成了疇，不同疇之間的界面即為疇壁（綠色高亮顯示）

03

自然中的理想平臺(tái)

自然中，螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料為構(gòu)建超小型鐵電疇壁提供了平臺(tái)，其三維晶體結(jié)構(gòu)由極性晶格層和非極性晶格層交替排列組成。

鐵電極化被限制在分離的極性晶格層中，且各極性晶格層幾乎是完全獨(dú)立的，使得三維鐵疇“魔方”變成分離的二維鐵疇“拼圖”，從而可能存在一維的帶電疇壁結(jié)構(gòu)。

如果一維帶電疇壁存在，是怎樣的物理機(jī)制充當(dāng)“膠水”來穩(wěn)定這些帶電疇壁？能否人為操控這些疇壁的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和擦除？

研究團(tuán)隊(duì)利用激光分子束外延方法，在基底上生長了僅十個(gè)晶胞層厚度的螢石結(jié)構(gòu)鐵電薄膜，通過化學(xué)手段破壞薄膜與襯底的連接使它們能夠從襯底上脫離并轉(zhuǎn)移，結(jié)合電子顯微技術(shù)在幾十納米區(qū)域內(nèi)構(gòu)建出理想的模型物理體系——自支撐螢石鐵電薄膜，為開展新物態(tài)研究提供了良好的材料平臺(tái)。

▲螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料ZrO 2 中的一維帶電疇壁示意圖。鐵電ZrO 2 結(jié)構(gòu)的卡通示意圖以及限制在二維極性層內(nèi)的“頭對(duì)頭”和“尾對(duì)尾”型帶電疇壁的原子模型

04

氧離子"膠水"與操控

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用電子顯微鏡技術(shù)，對(duì)薄膜中的一維帶電疇壁進(jìn)行了原子尺度的觀測(cè)和操控。科研人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些納米薄膜晶體結(jié)構(gòu)的全方位原子級(jí)觀察，基本知曉了薄膜中每一個(gè)原子的具體位置，從而發(fā)現(xiàn)了一維帶電疇壁這種新物態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，這些帶電疇壁被約束在極性晶格層中，厚度和寬度均具有埃級(jí)尺寸。疇壁處過量的氧離子或氧空位充當(dāng)了黏結(jié)的“膠水”，從而穩(wěn)定了這些帶電的疇壁。研究同時(shí)利用電子輻照產(chǎn)生的局部電場(chǎng)，演示了對(duì)這些一維帶電疇壁的人工操控。

這一工作打破了人們對(duì)于三維晶體中疇壁為本征二維結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知，闡明了螢石鐵電體中極化切換與氧離子傳輸之間的內(nèi)在耦合關(guān)系。

同時(shí)，埃級(jí)尺寸的疇壁單元預(yù)期將大幅提升信息存儲(chǔ)密度，通過在半個(gè)單胞內(nèi)控制一維疇壁的寫入、驅(qū)動(dòng)和擦除，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬計(jì)算，為開發(fā)具有極限密度的人工智能器件載體奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb7280

來源：中國科學(xué)院物理研究所

責(zé)任編輯：侯茜