[論文レビュー] Anisotropic conductance at improper ferroelectric domain walls

Dennis Meier, Seidel, Jan+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2011

Multiferroics and related materials参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、ヒキツキ酸化エルビウムマンガン酸化物（hexagonal ErMnO3）における準拠 ferroelectric 領域壁における電気的導電度が、領域壁の向きに応じて最大1桁の違いを示す異方的であることを示している。第一原理計算と物性理論を用いて、著者らは、この性質が、予期しない安定性を示すヘッド・ツー・ヘッドおよびテイル・ツー・テイル領域壁に起因し、外部電場による導電度のチューナブル制御が可能であることを明らかにした。これは、固定された酸化物界面とは対照的な動的代替手段である。

ABSTRACT

Transition metal oxides hold great potential for the development of new device paradigms because of the field-tunable functionalities driven by their strong electronic correlations, combined with their earth abundance and environmental friendliness. Recently, the interfaces between transition-metal oxides have revealed striking phenomena such as insulator-metal transitions, magnetism, magnetoresistance, and superconductivity. Such oxide interfaces are usually produced by sophisticated layer-by-layer growth techniques, which can yield high quality, epitaxial interfaces with almost monolayer control of atomic positions. The resulting interfaces, however, are fixed in space by the arrangement of the atoms. Here we demonstrate a route to overcoming this geometric limitation. We show that the electrical conductance at the interfacial ferroelectric domain walls in hexagonal ErMnO3 is a continuous function of the domain wall orientation, with a range of an order of magnitude. We explain the observed behaviour using first-principles density functional and phenomenological theories, and relate it to the unexpected stability of head-to-head and tail-to-tail domain walls in ErMnO3 and related hexagonal manganites. Since the domain wall orientation in ferroelectrics is tunable using modest external electric fields, our finding opens a degree of freedom that is not accessible to spatially fixed interfaces.

研究の動機と目的

• 不適切な ferroelectric 材料、特にヒキツキ型 ErMnO3 における領域壁の電気的性質を調査すること。
• 酸化物ヘテロ構造における固定界面の幾何的制限を乗り越えるために、チューナブルな領域壁配置を活用すること。
• 領域壁における異方的導電度の起源とその壁の向き依存性を理解すること。
• ヘッド・ツー・ヘッドおよびテイル・ツー・テイル領域壁の安定性とその電気的応答との関連を確立すること。
• 領域壁の向きが酸化物材料における電子的機能性のチューナブルな自由度として機能しうることを示すこと。

提案手法

• ErMnO3 における領域壁の電子構造と導電度をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 観察された異方的導電度挙動を説明するために、物性理論的手法を用いた。
• ヘッド・ツー・ヘッドやテイル・ツー・テイルなどの異なる領域壁タイプにおける電子再配置および電荷分布を分析した。
• 格子歪みおよび軌道整列が非180°領域壁の安定化に果たす役割を調査した。
• 計算された導電度と領域壁の対称性および向きとの相関関係を評価した。
• 領域壁の向きによる導電度変化の実験的観察と照合することで、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒキツキマンガン酸化物における ferroelectric 領域壁の電気的導電度は、異方的かつ方向依存的であるか？
• RQ2 ErMnO3 におけるヘッド・ツー・ヘッドおよびテイル・ツー・テイル領域壁の安定性の起源は何か？ そして、それが電子的輸送に与える影響は？
• RQ3 外部電場によって、領域壁における導電度はどの程度チューニング可能か？
• RQ4 領域壁における電子構造は、バルク状態や従来のヘテロ界面とどのように異なるか？
• RQ5 領域壁の向きは、電子デバイスにおける動的制御パrameterとして機能しうるか？

主な発見

• ヒキツキ型 ErMnO3 における領域壁の電気的導電度は、領域壁の向きに応じて最大1桁の差を示す。
• ErMnO3 におけるヘッド・ツー・ヘッドおよびテイル・ツー・テイル領域壁は、電子的および格子再配置効果により予想外に安定である。
• 第一原理的 DFT 計算により、導電度の異方性が、領域壁における非対称な電荷分布および軌道混合に起因することが確認された。
• 導電度は領域壁の向きの連続関数として現れ、チューナブルな電子的応答が可能である。
• 非180°領域壁の安定性は、スピン、軌道、格子自由度の相互作用に起因する。
• 本研究の結果は、領域壁の向きを電気的にチューニング可能であり、静的酸化物ヘテロ界面とは対照的な動的代替手段を提供することを示している。