[論文レビュー] Ferroelectric Solitons Crafted in Epitaxial Bismuth Ferrite Superlattices

V. Govinden, P. R. Tong+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2022

Multiferroics and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、外延的ビスマスフェルルト（BiFeO3）-ストロンチウムチタネート超格子におけるトポロジカルに保護された分極テクスチャであるフェロエレクトリックソリトンの作製と特性評価を実証した。高精度な顕微鏡法とシミュレーションを用いて、±1のトポロジカル電荷を持つ3 nm未塔のバイメロンが同定され、非整数のトポロジカル電荷が観測された。これはBiFeO3を基盤とする系で初めての発見であり、マルチフェロイックトポトロニクスへの道筋が開かれた。

ABSTRACT

In ferroelectrics, complex interactions among various degrees of freedom enable the condensation of topologically protected polarization textures. Known as ferroelectric solitons, these particle-like structures represent a new class of materials with promise for beyond CMOS technologies due to their ultrafine size and sensitivity to external stimuli. Such polarization textures have scarcely been reported in multiferroics. Here, we report a range of soliton topologies in bismuth ferrite strontium titanate superlattices. High-resolution piezoresponse force microscopy and Cs-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy reveal a zoo of topologies, and polarization displacement mapping of planar specimens reveals center-convergent and divergent topological defects as small as 3 nm. Phase field simulations verify that some of these topologies can be classed as bimerons, with a topological charge of plus and minus one, and first-principles-based effective Hamiltonian computations show that the co-existence of such structures can lead to non-integer topological charges, a first observation in a BiFeO3-based system. Our results open new opportunities in multiferroic topotronics.

研究の動機と目的

• マルチフェロイック超格子におけるトポロジカルに保護された分極テクスチャの形成と安定性を調査すること。
• エピタキシャルBiFeO3–SrTiO3超格子における新しいソリトントポロジーの同定と特性評価すること。
• BiFeO3ベースの系において非整数のトポロジカル電荷がどのように出現するかを調査すること。
• 実験的観察と理論的モデリングの間の関連を確立し、複雑酸化物ヘテロ構造におけるソリトン行動を解明すること。

提案手法

• 局所分極のマップ作成とソリトントポロジーの検出を目的とした高分解能ピエゾ応力力顕微鏡（PFM）の適用。
• 原子スケールの構造像を得るためのCs補正型高角アンギュラー・ダークフィールド走査型透過電子顕微鏡（HAADF-STEM）の使用。
• 平面状試料における分極変位マッピングにより、中心収束型および中心発散型のトポロジカル欠陥を可視化。
• 観測された構造が±1のトポロジカル電荷を持つバイメロンとして分類されるかを検証するためのフェーズフィールドシミュレーション。
• エネルギー的安定性とソリトンの共存をモデル化するための第一原理に基づく有効ハミルトニアン計算。
• 実験的・理論的両手法を統合し、BiFeO3ベースの系における非整数トポロジカル電荷の挙動を解明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エピタキシャルBiFeO3–SrTiO3超格子において、複雑なトポロジを有するフェロエレクトリックソリトンは安定化可能か？
• RQ2 これらの超格子における実験的に観測されたトポロジカル欠陥の最小サイズは何か？
• RQ3 ソリトンの共存が原因で、BiFeO3ベースの系に非整数のトポロジカル電荷が出現するか？
• RQ4 バイメロンのような分極テクスチャは、ナノスケールの実空間でどのように現れるか？
• RQ5 フェーズフィールドシミュレーションと第一原理モデルは、観測されたソリトントポロジをどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 分極変位マッピングを用いて、3 nm未塔の中心収束型および中心発散型のトポロジカル欠陥が直接可視化された。
• フェーズフィールドシミュレーションにより、トポロジカル電荷±1を持つバイメロンが同定され、確認された。
• ソリトンの共存に起因し、BiFeO3ベースの系で初めて非整数のトポロジカル電荷が観測された。
• 高分解能PFMおよびHAADF-STEMにより、超格子内に多様なソリトントポロジが存在することが明らかになった。
• 有効ハミルトニアン計算により、ソリトンの共存と非整数トポロジカル電荷のエネルギー的妥当性が確認された。
• 本研究の結果は、トポトロニクス応用を目的とした、トポロジカル分極テクスチャを制御可能なマルチフェロイック材料の設計基盤を確立した。