特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。疇壁納米電子學被認為是非易失性存儲器和邏輯技術的一種新范式，在這種技術中，疇壁作為有源元件。鐵電結構中的荷電疇壁具有亞納米厚度，并表現出非平凡的電子和輸運特性，這對于各種納電子學應用非常有用。確定性地創建和操作荷電疇壁的能力是實現其在電子器件中的功能特性所必需的。有鑒于此，浙江大學張澤院士、田鶴教授等人報道了一種在幾納米厚的BiFeO3鐵電薄膜中可控地生成和操縱面內荷電疇壁的方法。通過在掃描透射電子顯微鏡中使用原位偏壓技術，檢測到一種非常規的逐層切換機制，其中鐵電疇生長發生在平行于外加電場的方向上。基于原子分辨電子能量損失譜、在線電子全息圖的原位電荷映射和理論計算，證明了在荷電疇壁積聚的氧空位是疇壁穩定和運動的原因。BiFeO3薄膜平面內疇壁位置的電壓控制產生了多個非揮發性電阻狀態，從而證明了作為幾個單位單元厚的憶阻器的關鍵功能特性。這些結果促進了對鐵電開關行為的更好理解，并為制造單位電池級器件提供了新的策略。作者設計了SRO-BFO-SRO三層結構。在5納米厚的對稱導電SRO電極之間夾有厚度不等的鐵電BFO薄膜，其厚度從2個單元到20個單元不等。薄膜生長在(001)Nb摻雜SrTiO3 (STO)單晶襯底上。鎢探針施加外部原位偏置電壓，同時記錄薄膜的原子HAADF-STEM圖像。從STEM數據中獲得的SRO-BFO-SRO三層平面平均c/a比和偏離中心位移的變化與DFT計算中得到的結果非常一致。作者觀察了BFO薄膜的鐵電疇行為，證實了利用所設計的異質結構和原位偏壓技術可以在BFO薄膜平面上產生并擦除帶電疇壁。
當施加的偏壓從0.5到1.5 V變化時，觀察到疇壁逐層運動。作者展示了極化剖面在BFO薄膜上隨外加電壓增加的動態變化，疇壁顯示出逐層極化切換。為了解釋屏蔽機制，作者利用EELS和在線電子全息技術，輔以DFT計算，研究了電荷在疇壁遷移過程中的分布。通過在線全息測量獲得了橫跨疇壁的顯式電荷平衡，這允許直接檢測高分辨率和精度的電荷分布，得到的電荷分布隨疇壁從上到下界面運動的演化過程。
作者從EDX光譜測量中獲得的SRO-BFO-SRO原子結構，在具有幾個單元單元的薄BFO層的對稱端部SRO-BFO-SRO結構中，疇壁被廣泛觀察到是原子平坦的，沒有成核步驟。然而，隨著BFO厚度的增加，氧空位篩選變得不均勻，從而增加了獲得具有成核特征的疇壁的概率。疇壁開始曲折，最終在20晶胞厚的BFO薄膜中形成電荷中性的面外壁。因此，鐵電極化開關機制從平行于外加電場的逐層運動轉變為垂直于外加電場的常規鐵電疇生長。基于這些觀察結果，鐵電膜面內疇壁穩定和實現分層極化切換的必要條件是鐵電層的對稱界面、原子尺度上的面內均勻性和足夠小的鐵電層厚度。
Liu, Z., Wang, H., Li, M. et al. In-plane charged domain walls with memristive behaviour in a ferroelectric film. Nature (2023).DOI: 10.1038/s41586-022-05503-5https://doi.org/10.1038/s41586-022-05503-5
