[논문 리뷰] Nonvolatile Electric-Field Control of Inversion Symmetry

Lucas Caretta, Yu‐Tsun Shao외 21명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 02.

Multiferroics and related materials인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 희토류 스코디움 산화물 기반 기질 위에 에pitaxial으로 성장된 BiFeO3 (BFO) 이중구조에서 비가역적이고 가역적인 전기장 유도 전환을 통해 중심대칭 절연체와 비중심대칭 반도체 상 사이를 전환하는 것을 입증한다. 평면 내 전기장을 적용함으로써 연구자들은 안정적인 실온에서의 역대칭성 제어를 달성하였으며, 비선형 광학 반응은 3개 이상의 주자 수준 변화를, 전기 저항은 5개 이상의 주자 수준 변화를 보였다. 이는 조정 가능한 광학, 전기적, 페로이크 성질을 갖는 교차 기능성 장치를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복합 산화물 이중구조에서 대칭이 다른 상의 공존을 안정화시키기 위해.
• 전기장을 이용해 중심대칭 상과 비중심대칭 상 사이의 비가역적이고 가역적인 전환을 달성하기 위해.
• 기능성 산화물 체계에서 실온에서의 역대칭성 제어를 입증하기 위해.
• 유도된 광학적, 전기적, 페로이크 반응의 변화를 활용해 교차 기능성 장치 응용을 실현하기 위해.

제안 방법

• BiFeO3 (BFO) 이중구조는 희토류 스코디움 산화물(TbScO3) 기판 사이에 에피택셜로 성장되었으며, 펄스 레이저 증착법을 사용하였다.
• 상하 전극을 통해 평면 내 전기장을 인가하여 BFO의 결정 대칭을 조절하였다.
• 중심대칭(절연체 상)과 비중심대칭(반도체 상) BFO 사이의 상전이를 피에조반응력현미경(PFM), 비선형 광학 스펙트로스코피, 전기적 전송 측정을 통해 모니터링하였다.
• 반복적인 사이클링과 비가역적 메모리 행동을 통해 스위치된 상태의 안정성을 확인하였다.
• 전자기계적 원리 계산과 대칭성 분석을 통해 전기장 유도 대칭성 파괴의 기원을 해석하였다.
• 외부 전기장 하에서 실온에서도 상의 공존 상태를 유지하도록 시스템을 설계하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평면 내 전기장이 BiFeO3에서 중심대칭 상과 비중심대칭 상 사이의 비가역적이고 가역적인 전환을 일으킬 수 있는가?
• RQ2 대칭 전환 중 광학적 및 전기적 반응 변화의 크기와 안정성은 어떠한가?
• RQ3 대칭이 다른 상의 공존 상태가 이중구조의 기능적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 열적 또는 기계적 자극 없이 상전이를 제어할 수 있는가?
• RQ5 계면에서의 응력과 유전체 구속이 혼합상 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 평면 내 전기장을 인가함으로써 BiFeO3에서 중심대칭 절연체 상과 비중심대칭 반도체 상 사이의 비가역적이고 가역적인 전환이 실온에서 유도되었다.
• 전환 과정에서 비선형 광학 반응이 3개 이상의 주자 수준 변화를 보였다.
• 대칭 전환에 따라 전기 저항이 5개 이상의 주자 수준 변화를 보였다.
• 극성 순서와 페로이크 반응이 동시에 조절되어 페로전자 상태 제어가 확인되었다.
• 반복적인 사이클링 동안 전환 상태가 안정하여 비가역적 메모리 행동이 확인되었다.
• 외부 전기장 하에서도 대칭이 다른 상의 공존 상태를 유지하여 조절 가능한 다기능성을 실현하였다.