于浦研究组在铁电薄膜畴壁的交流电导研究方面取得进展

2016年6月12日

      近年来,畴壁因其纳米尺度、功能多样以及多场可控等优异特性而引起了研究人员的广泛关注。尤其是铁电材料畴壁上发现的显著增强电导特性预示着可以利用畴壁与畴中的电导差异实现信息存储,从而在新型存储器件中具有巨大的应用潜力。然而由于铁电材料通常是良好的绝缘体,其畴壁上直流电导往往较弱(~pA),很难测量。同时,导电探针测量铁电薄膜表面导电性时需要考虑探针与薄膜之间的肖特基接触,这也阻碍了薄膜本身导电性的直接探测和研究。此外,畴壁上常伴随的电荷聚集、极化不连续等特性导致其自身的不稳定。综合这些原因,如何增强畴壁导电性以及改善其非易失性成为铁电畴壁研究的核心问题。

      最近,物理系低维量子物理国家重点实验室于浦研究组与美国橡树岭国家实验室等研究人员在绝缘铁电薄膜上通过采用新的测量手段——近场扫描微波阻抗谱(图a)探测到畴壁处显著增强(~nA)的交流导电性。在高质量锆钛酸铅PZT薄膜样品上,他们通过在扫描探针上周期性的施加正负电压对铁电畴进行调控,形成具有极化向上向下交替的稳定铁电畴结构(图c)以及规则的180°铁电畴壁,并在同一区域通过施加交流电压(3 GHz) 对样品的交流阻抗谱进行了测量。由于有效的扣除了接触电阻的影响,阻抗的实部(电导)测量结果(图d)表明在畴壁区域出现了明显的增强的电导(亮条纹),与铁电畴区域形成鲜明对比。同时,进一步的研究表明,该显著增强的离子电导可以通过电场进行写入和擦除,具有良好的可操控性。

                                   

      近场扫描微波阻抗谱测量畴壁电导率这一方法不仅解决了当前铁电畴壁研究中,直流电流小、不易观测等问题,并且这一手段由于微波信号与畴壁的耦合较小,而对畴壁不存在破坏性,能够实现畴壁信号的非破坏性读取。这一研究使铁电畴壁向着新型电子器件应用这一目标又跨出了一步,同时也为其它材料微观导电性研究提供了一种新型的手段。

    研究成果以“Microwave a.c. conductivity of domain walls in ferroelectric thin films”为题发表在Nature Communications上 。

    原文链接:http://www.nature.com/ncomms/2016/160531/ncomms11630/full/ncomms11630.html