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    澤攸科技原位TEM實現(xiàn)鐵電極化拓撲疇的電場調(diào)控

    日期:2025-01-20

    近年來,納米尺寸的拓撲極性結(jié)構因其獨特的物理特性在電子學應用中展現(xiàn)出巨大的潛力,特別是在高密度信息存儲設備和低功耗場效應晶體管等領域。這些結(jié)構,如極性閉合域、渦旋、斯格明子、環(huán)形結(jié)構和布洛赫點等,通過平衡彈性能、靜電能和極化梯度能的競爭,在鐵電氧化物薄膜中得以穩(wěn)定存在,引起了研究人員的廣泛關注。然而,盡管這些拓撲極性結(jié)構在理論研究和實驗探索中取得了顯著進展,但其在外界刺激下的動態(tài)演化機制仍然不夠清晰。例如,溫度、光場、電場和應變場等外部條件如何影響這些結(jié)構的相變行為,仍需要進一步的研究和解釋。此外,如何在外界刺激下實現(xiàn)大規(guī)模周期性拓撲極性陣列的調(diào)控,也是當前面臨的一個重要挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的研究多集中在單個或少量拓撲結(jié)構的生成和移動上,而如何從普通的鐵電疇結(jié)構通過外部刺激生成大規(guī)模的拓撲極性陣列,仍然是一個有待解決的問題。

    為了推動這些拓撲極性結(jié)構在電子器件中的實際應用,理解其在外界電場等刺激下的動態(tài)演化過程至關重要。盡管已有一些研究揭示了拓撲極性結(jié)構在電場作用下的相變行為,如極性渦旋在電場作用下轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性斯格明子氣泡,或閉合域轉(zhuǎn)變?yōu)椴顟B(tài)或單極化態(tài),但這些研究多集中在單一結(jié)構的相變上,缺乏對大規(guī)模陣列生成和調(diào)控的系統(tǒng)性研究。此外,現(xiàn)有的實驗手段,如壓電力顯微鏡(PFM),雖然能夠?qū)懭牒筒脸龢O性結(jié)構,但其分辨率限制了生成結(jié)構的尺寸,難以實現(xiàn)納米級別的精確調(diào)控。因此,如何在納米尺度上通過外部電場等刺激實現(xiàn)大規(guī)模拓撲極性陣列的可逆調(diào)控,仍然是當前研究中的一個重要難題。這一問題的解決不僅有助于深入理解拓撲極性結(jié)構的動力學行為,還將為未來的納米電子器件設計提供新的思路和方法。

    澤攸科技原位TEM

    針對上述問題,松山湖材料實驗室大灣區(qū)顯微科學與技術研究中心的研究人員利用了澤攸科技的原位TEM進行了深入研究,實現(xiàn)了鐵電極化拓撲疇結(jié)構的電場調(diào)控。相關成果以“Reversible Manipulation of Polar Topologies in Oxide Ferroelectrics via Electric Fields”為題發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202414346

    澤攸科技原位TEM

    這篇論文深入探討了通過外部電場對氧化物鐵電材料中極性拓撲結(jié)構進行可逆操控的可能性,特別是針對PbTiO3/SrTiO3(PTO/STO)雙層和多層膜系統(tǒng)。研究團隊采用原位透射電子顯微鏡技術,直接觀察到了在施加電場條件下,從典型的a/c疇到大規(guī)模極性通量閉合疇陣列的形成與消失過程。研究發(fā)現(xiàn),隨著外加電場強度的增加,新的c疇從母體a疇中生成,并逐步擴展,最終連接成一個連續(xù)的大規(guī)模通量閉合疇陣列。這種轉(zhuǎn)換是可逆的,當減少外部電場時,這些通量閉合疇逐漸被湮滅并恢復為初始的a/c疇。

    澤攸TEM

    圖 PbTiO3/SrTiO3雙層膜中外加電場實現(xiàn)鐵電全閉合疇的產(chǎn)生與湮滅。(a-d) 隨著外加電場的增加,a/c疇逐漸轉(zhuǎn)變成全閉合陣列。(e-f) 隨著外加電場的減小,全閉合陣列逐漸恢復為a/c疇

    此外,研究人員還利用相場模擬來評估能量變化,結(jié)果表明,從a/c疇到通量閉合疇的轉(zhuǎn)換伴隨著總能量的減少,主要歸因于靜電能的降低。進一步的研究揭示,在更復雜的多層膜系統(tǒng)中,通過調(diào)整外加電場可以實現(xiàn)更加細致地控制新c疇的成核、擴展直至形成通量閉合疇陣列的過程。實驗結(jié)果顯示,這一轉(zhuǎn)換過程非常迅速,甚至可以在10毫秒的時間尺度內(nèi)完成,這為未來納米電子器件的設計提供了重要的見解和技術支持。

    澤攸TEM

    圖 原子尺度原位STEM成像揭示a/c疇到全閉合的轉(zhuǎn)變。(a) 原子尺度原位STEM成像結(jié)合應變分析揭示外場作用下全閉合疇的產(chǎn)生與湮滅過程。(b-d) 電場加載下全閉合疇的極化(c)和應變(d)分布

    澤攸TEM

    圖 (PbTiO3/SrTiO3)5多層膜中電場加載鐵電全閉合疇的產(chǎn)生與湮滅過程。(a-d) 隨著外加電場的增加,可觀察到從原a疇中發(fā)生c疇的形核與長大,并逐漸轉(zhuǎn)變成全閉合陣列。(e-f) 隨著外加電場的減小,全閉合陣列逐漸恢復為a/c疇

    本研究不僅展示了通過外部電場調(diào)控鐵電材料內(nèi)部極性拓撲結(jié)構的可行性,而且強調(diào)了這種轉(zhuǎn)換的動態(tài)特性和可逆性對于開發(fā)新型電子設備的重要性。通過對這些拓撲結(jié)構的精確控制,包括它們的形成、擴展以及消失,有望推動高密度信息存儲和低功耗場效應晶體管等領域的創(chuàng)新。這項工作為進一步理解極性拓撲結(jié)構的動力學行為及其在納米電子應用中的潛力奠定了基礎,并指出了未來可能的發(fā)展方向,例如如何更有效地設計和集成這類具有特殊物理性質(zhì)的材料到現(xiàn)有的電子電路中。這些成果不僅豐富了我們對鐵電材料內(nèi)部微觀結(jié)構轉(zhuǎn)變機制的理解,也為探索基于這些特性開發(fā)新技術提供了新的思路和方法。

    澤攸TEM

    圖 相場模擬揭示a/c疇到全閉合的轉(zhuǎn)變過程以及相應能量的變化情況

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    澤攸原位TEM



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    作者:澤攸科技


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