我国学者与海外合作者实现铁电薄膜带电畴壁精确操控

图 具有量化忆阻特性的面内带电畴壁的构建与原子级调控

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12125407、52272129、U21A2067）等资助下，浙江大学材料科学与工程学院张泽院士、田鹤教授团队与新加坡国立大学陈景升教授团队、美国内布拉斯加大学林肯分校Tsymbal教授团队合作，在纳米级厚度的铁酸铋薄膜中，构建了一种全新的、具有量化多阻态忆阻行为的面内带电畴壁，并实现了其精确操控，刷新了人们对于铁电翻转行为的认识，并为发展晶胞级的新型存储器提供了新策略。相关成果以“铁电薄膜中具有忆阻行为的面内带电畴壁（In-plane charged domain walls with memristivebehaviour in a ferroelectric film）”为题，于2023年1月18日在《自然》（Nature）杂志刊发，文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05503-5。

　　强关联体系具有丰富的物理属性和调控潜力，铁电与多铁材料中的畴壁更拥有与主体材料不同的维度和对称性，能够在纳米甚至原子尺度上产生不同于极化畴中的耦合行为与量子关联，如铁电与金属性共存，新的磁光效应，阻变、忆阻效应等。为了拓展畴壁在量子材料、存储材料与功能性器件方面的实际应用，畴壁的可控制备、精确操控和动力学响应机理的研究则变得尤为重要。在纳米乃至原子层面对畴壁精确控制的可行方案，将推动畴壁电子学迈向真正的应用。

　　在本研究中，通过自主搭建的原子级分辨原位电学观测平台和所设计的高对称薄膜结构，在SrRuO₃/BiFeO₃/SrRuO₃等系列铁电薄膜中可重复地创建、移动和擦除了具有“尾对尾”“头对头”极化构型的面内带电畴壁，实现了铁电薄膜中带电畴壁的精确控制，构建了可调铁电隧道结与具有新型量化忆阻特性的原型器件（图）。结合原位电学成像技术，逐步、逐原子地研究了极化翻转的全过程，实现并观察到了电压精确控制的面内带电畴壁的逐原子层推进与极化的逐原子层切换，这是一种全新的面内翻转模式。利用自主发展的同轴电子全息 (In-line Holography) 电荷成像这一显微学方法，结合电子能量损失谱和第一性原理计算，阐明了电荷转移对于带电畴壁操控与稳定的关键作用。电荷成像与谱学分析直接证明了带电畴壁上的电荷聚集，氧空位提供的正束缚电荷屏蔽了“尾对尾”畴壁上的负极化电荷，带电畴壁及屏蔽电荷由完全对称的薄膜结构稳定。操控带电畴壁的有效解决方案，将能够自然地构建、组合铁电隧道结，提供铁电薄膜与中性畴壁所不具备的新颖功能，如可调控的共振隧道效应和隧道电阻效应。伴随着畴壁在铁电薄膜内的移动，铁电隧道结的电阻呈现出独特的忆阻特性。其特征在于，对应于畴壁逐层推进，电阻随着电压的变化而呈现阶跃。因此，通过简单的电压控制，基于带电畴壁晶胞级精度的操控，在构建的原型器件中获得了量化阻态，展示了新型铁电隧道结忆阻器的核心功能。研究中所展示的控制机制与实现方案具有普适性，已被证实可以在多种类型的多铁、铁电材料和金属电极的异质结构中实现。

　　研究证明了由畴壁构建的铁电隧道结实现量子化的多阻态存储方案的可行性，加深了对纳米铁电体中畴壁动力学特性的理解，推动了畴壁作为新颖的可控单元在纳米电子器件中的应用。铁电畴壁器件具有非易失、低功耗、高密度等天然优势，这将为下一代存储技术的发展提供更广泛且独特的功能。这一工作体现了方法学研究与材料机理研究的深度交叉融合，是联接微观结构和宏观性能进而实现材料与器件设计的典型成功案例。研究团队将持续发展电子显微学新方法，系统地探索微结构影响宏观器件特性关键因素，同时推广该显微学新方法与原位技术，加速相关材料与器件体系的研究。