加州大學歐文分校Phys. Rev. Lett.：多鐵性材料的缺陷引起的刺猬狀偏振態

【引言】

由于強關聯氧化物中自旋，電荷，軌道和晶格自由度的相互作用而產生的準一維鐵磁態通常表現出復雜的極化或自旋紋理和獨特的性質，對開發新的器件具有很大的希望。這些磁性狀態可以通過磁場有效地控制，或者以超低電流密度通過自旋轉移力矩驅動，因此可以潛在地應用于高密度磁存儲器或電流驅動器件。同時，對鐵電體中新的極化態的研究也引起了相當大的興趣，因為使用比磁體中的對應物更小的鐵電態作為納米器件中的功能元件是特別有吸引力的。

【成果簡介】

近日，美國加利福尼亞大學歐文分校Xiaoqing Pan（通訊作者）課題組在Phys. Rev. Lett.上發表了題為“Defect-Induced Hedgehog Polarization States in Multiferroics” 的文章。研究團隊表明納米級缺陷，如非化學計量的納米區域（NSNRs），可以作為納米構建塊在原型多鐵性BiFeO₃中創建復雜的電極化結構。一系列帶電荷的NSNRs是在BiFeO₃薄膜通過調整薄膜生長過程中的基底溫度。原子尺度掃描透射電子顯微鏡成像揭示了圍繞這些NSNRs的外來偏振旋轉模式。偏振模式類似于刺猬或渦旋拓撲結構，并且可以引起晶格對稱性的局部化，導致類似于具有高壓電性的準同型相邊界的混合相結構。相場模擬表明觀察到的極化構型主要由NSNR處的帶電狀態引起。因此，工程缺陷可能為開發鐵電或多鐵基納米器件提供新的途徑。

【圖文導讀】

圖1?原子結構和BiFeO₃薄膜中的缺陷。

（a）BiFeO₃的擬立方體結構的原子模型；

（b）沿[100] PC區軸的橫截面觀察的BiFeO₃薄膜的HAADF STEM圖像；

（c）BiFeO₃（BFO）/ TbScO₃（TSO）界面區域的HAADF STEM圖像；

圖2?原子結構與BFO薄膜中的半圓形缺陷有關。

（a）包含一個典型的半圓環缺陷的BFO/TSO界面區域的HAADF STEM圖像；

（b）缺陷[圖（a）中的紅色矩形突出顯示區域“B”中的非化學計量平面單位的放大圖像以及其右側對應原子結構的模型；

（c）在缺陷（a）中的紅色矩形突出顯示區域“C”中的非化學計量階梯單元的放大圖像以及其右側相應原子結構的模型；

圖3 BFO薄膜中半圓環缺陷周圍納米區的極化圖。

（a）與圖2（a）相同的HAADF STEM圖像覆蓋偏振矢量；

（b）通過與實驗觀察結構相似的帶電缺陷穩定的疇結構的像面中的偏振分布的相場模擬；

圖4?由BFO薄膜中三種不同缺陷誘導的納米區的極化圖。

（a）-（c）在BFO/TSO界面上方的三種不同缺陷的HAADF STEM圖像；

（d）由（a）中的環形缺陷和由（b）和（c）中的藍色矩形強調的三個不同納米區域中的環形缺陷所包圍的納米區域中的極化矢量的放大圖；

【小結】

該研究團隊利用納米級帶電缺陷證明了多鐵性BiFeO₃薄膜中新型刺猬蛋白和反刺猬蛋白納米結構域的穩定性。納米區域提供了新的機會來探索自旋，電荷，軌道和具有強電子相關系統的自由度的復雜相互作用。由于刺猬狀態被限制在納米尺寸結構缺陷內，可以接近尺寸至幾個單位晶胞，并且具有比薄膜中的主體域高得多的密度。因此打開了在相對較厚的鐵電薄膜中創建高密度納米區域的大門，可以克服域尺寸或密度的限制，該尺寸定律規定域寬度與樣品厚度的平方根成比。垂直于刺猬平面的偏振分量可能是可切換的。因此，進一步研究應用領域的電學和磁電性質和動力學可能有助于納米電子器件如高密度存儲器的未來發展。另一方面，眾所周知，通過向陶瓷添加少量施主摻雜劑進行缺陷工程可以在施主與晶體結構中的陽離子空位之間產生隨機取向的缺陷偶極子，促進了疇壁運動，從而導致增強的壓電性能。由納米級雜質缺陷所穩定的反對稱偏振態具有混合相結構，這種結構讓人想起在準同型相界附近的鐵電疇。也可能表現出增強的特性，如巨大的壓電性，因此對機電應用具有潛在的吸引力。

文獻鏈接： Defect-Induced Hedgehog Polarization States in Multiferroics（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI： 10.1103/PhysRevLett.120.137602）

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