[論文レビュー] Strain-Induced Room-Temperature Ferroelectricity in SrTiO$_3$ Membranes

Ruijuan Xu, Jiawei Huang+12 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、伸縮性ポリマー基板に膜を転写することで、フリースタンディングな SrTiO₃ メンブレンに応力誘起室温フェロエレクトリシティを示すことを実証した。これにより、動的で可変な一軸引張ひずみが可能になった。走査プローブ顕微鏡、二次高調波生成、および原子論的モデリングを用いて、180°ドメインを有する強固なフェロエレクトリシティを達成し、2.0%ひずみにおける外挿された転移温度は400 Kであった。これにより、鉛フリーのフェロエレクトリック応用が可能になった。

ABSTRACT

Advances in complex oxide heteroepitaxy have highlighted the enormous potential of utilizing strain engineering via lattice mismatch to control ferroelectricity in thin-film heterostructures. This approach, however, lacks the ability to produce large and continuously variable strain states, thus limiting the potential for designing and tuning the desired properties of ferroelectric films. Here, we observe and explore dynamic strain-induced ferroelectricity in SrTiO$_3$ by laminating freestanding oxide films onto a stretchable polymer substrate. Using a combination of scanning probe microscopy, optical second harmonic generation measurements, and atomistic modeling, we demonstrate robust room-temperature ferroelectricity in SrTiO$_3$ with 2.0% uniaxial tensile strain, corroborated by the notable features of 180° ferroelectric domains and an extrapolated transition temperature of 400 K. Our work reveals the enormous potential of employing oxide membranes to create and enhance ferroelectricity in environmentally benign lead-free oxides, which hold great promise for applications ranging from non-volatile memories and microwave electronics.

研究の動機と目的

• 複雑酸化物におけるフェロエレクトリシティを誘起・調整するための動的ひずみ工学的アプローチを検討すること。
• ヘテロエpitaxial薄膜における静的ひずみの制限を克服し、大規模で連続可変なひずみ状態を可能にすること。
• 大気条件下で本質的に非フェロエレクトリックである鉛フリーの SrTiO₃ における室温フェロエレクトリシティを実証すること。
• 複数の補完的特性評価手法を用いてフェロエレクトリック秩序の出現を検証すること。
• 機械的ひずみを用いた機能酸化物の性質工学的プラットフォームとしての酸化物膜の確立すること。

提案手法

• ヘテロエpitaxial成長とポリマー基板への転写を用いて、フリースタンディングな SrTiO₃ メンブレンを調製した。
• ポリマー基板を伸ばすことにより、一軸引張ひずみを動的に印加し、最大2.0%まで連続的なひずみ調整を実現した。
• 走査プローブ顕微鏡（SPM）を用いて180°フェロエレクトリックドメインを像取りし、分極のスイッチングを測定した。
• 光学的二次高調波生成（SHG）を用いて、反転対称性の破れを体積感受性で確認した。
• 原子論的シミュレーションを実施し、ひずみ誘起電子構造をモデル化し、フェロエレクトリック転移温度を予測した。
• 実験的・理論的分析の組み合わせにより、ひずみとフェロエレクトリック応答の相関を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的かつ大規模なひずみ工学的アプローチにより、SrTiO₃ に室温でフェロエレクトリシティを誘起できるか？
• RQ2 SrTiO₃ メンブレンで強固なフェロエレクトリシティを安定化できる最大のひずみレベルは何か？
• RQ3 ひずみ下での構造的および電子的変化と観察されたフェロエレクトリック挙動の相関は何か？
• RQ4 ひずみ依存測定から、フェロエレクトリック相の転移温度を外挿し、予測できるか？
• RQ5 酸化物膜が、機能酸化物の性質を調整するための包括的プラットフォームとしてどれほど有用か？

主な発見

• 2.0%の一軸引張ひずみ下で、室温における SrTiO₃ へのフェロエレクトリシティの誘起に成功した。
• 走査プローブ顕微鏡により、明確な180°フェロエレクトリックドメインが観察され、長距離分極秩序の確認が得られた。
• 光学的二次高調波生成測定により、反転対称性の破れが確認され、フェロエレクトリシティの特徴的兆候となった。
• 原子論的モデリングにより、400 Kのフェロエレクトリック転移温度が予測され、実験的観察と整合的であった。
• 動的ひずみの適用により、可逆的かつ可変なフェロエレクトリック応答が示された。
• 本研究は、機械的ひずみ工学を用いて鉛フリーの複雑酸化物に機能的フェロエレクトリシティを実現する道筋を確立した。