[論文レビュー] Nonvolatile Electric-Field Control of Inversion Symmetry

Lucas Caretta, Yu‐Tsun Shao+21 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2022

Multiferroics and related materials被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、BiFeO3（BFO）ホロスターチュアがTbScO3基板上に成長された系において、非揮発的で可逆的な電場誘起相転移が、対称中心を持つ絶縁体相と対称中心を持たない半導体相の間で実現されることを示した。面内方向の電場を印加することで、反転対称性が安定に室温で制御され、非線形光学的応答が3桁以上、抵抗率が5桁以上変化し、光学的・電気的・フェロエレクトリック特性をチューニング可能なクロス機能デバイスの実現が可能になった。

ABSTRACT

In condensed-matter systems, competition between ground states at phase boundaries can lead to significant changes in material properties under external stimuli, particularly when these ground states have different crystal symmetries. A key scientific and technological challenge is to stabilize and control coexistence of symmetry-distinct phases with external stimuli. Using BiFeO3 (BFO) layers confined between layers of the dielectric TbScO3 as a model system, we stabilize the mixed-phase coexistence of centrosymmetric and non-centrosymmetric BFO phases with antipolar, insulating and polar, semiconducting behavior, respectively at room temperature. Application of in-plane electric (polar) fields can both remove and introduce centrosymmetry from the system resulting in reversible, nonvolatile interconversion between the two phases. This interconversion between the centrosymmetric insulating and non-centrosymmetric semiconducting phases coincides with simultaneous changes in the non-linear optical response of over three orders of magnitude, a change in resistivity of over five orders of magnitude, and a change in the polar order. Our work establishes a materials platform allowing for novel cross-functional devices which take advantage of changes in optical, electrical, and ferroic responses.

研究の動機と目的

• 複雑酸化物ヘテロ構造において、対称性が異なる相の共存を安定化すること。
• 電場を用いて、対称中心を持つ相と対称中心を持たない相の間で非揮発的かつ可逆的なスイッチングを達成すること。
• 機能酸化物系において、室温で反転対称性を制御すること。
• 得られた光学的・電気的・フェロエレクトリック的応答の変化を活用し、クロス機能デバイスへの応用を実現すること。

提案手法

• BiFeO3（BFO）をTbScO3層で挟んだエpitaxialヘテロ構造を、パルスレーザー蒸着法を用いて成長させた。
• 上部および下部のゲート電極を用いて面内方向の電場を印加し、BFOの結晶対称性を制御した。
• Piezoresponse力顕微鏡（PFM）、非線形光学分光法、電気的輸送測定を用いて、対称中心を持つ（絶縁体的）BFOと対称中心を持たない（半導体的）BFOの間の相転移をモニタリングした。
• 非揮発的メモリ行動と繰り返しサイクリングによる確認により、スイッチング状態の安定性を確認した。
• 第一原理計算および対称性解析を用いて、電場誘起対称性破れの起源を解釈した。
• 外部電場下でも室温で相の共存を維持できるように、システムを設計した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内方向の電場は、BiFeO3において、対称中心を持つ相と対称中心を持たない相の間で非揮発的かつ可逆的なスイッチングを誘起できるか？
• RQ2 対称性スイッチング中に、光学的および電気的応答の変化の大きさと安定性は何か？
• RQ3 対称性が異なる相の共存は、ヘテロ構造の機能的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 熱的または機械的刺激なしに、相転移を制御できるか？
• RQ5 界面ひずみおよび誘電的コンfinementは、混合相状態の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 面内方向の電場の印加により、室温で対称中心を持つ絶縁体相と対称中心を持たない半導体相の間で、非揮発的かつ可逆的な相転移が実現された。
• スイッチングにより、非線形光学的応答が3桁以上変化した。
• 対称性スイッチングに伴い、抵抗率が5桁以上変化した。
• 極性秩序およびフェロエレクトリック応答が同時に制御され、フェロエレクトリック状態の制御が確認された。
• 繰り返しサイクリングによる安定性が確認され、非揮発的メモリ行動が裏付けられた。
• 外部電場下でも、対称性が異なる相の共存が維持され、チューナブルな多機能性が実現された。