[논문 리뷰] Anisotropic conductance at improper ferroelectric domain walls

Dennis Meier, Seidel, Jan외 7명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 21.

Multiferroics and related materials참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 헥사곤형 ErMnO3에서 반도체 도메인 벽에서의 전기적 도전도가 이방성이 있음을 입증하며, 도메인 벽의 정렬에 따라 최대 한 계단 차이로 변화한다. 처음으로 원리에 기반한 계산과 현상학적 이론을 사용하여, 저자들은 이러한 행동이 예상치 못한 두 개의 머리-머리 및 尾-꼬리 도메인 벽의 안정성에서 기인하며, 외부 전기장에 의해 도전도를 조절할 수 있음을 보여준다. 이는 고정된 산화물 이종접합의 동적 대안이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비정상적인 반도체 물질인 헥사곤형 ErMnO3에서 도메인 벽의 전기적 성질을 탐구한다.
• 산화물 이종접합에서 고정된 인터페이스의 기하학적 제약을 극복하기 위해 조절 가능한 도메인 벽 구조를 활용한다.
• 도메인 벽에서의 이방성 도전도의 기원과 그 정렬에 대한 의존성을 이해한다.
• 머리-머리 및 꼬리-꼬리 도메인 벽의 안정성과 그 전기적 반응 사이의 연관성을 설정한다.
• 도메인 벽의 정렬이 산화물 재료에서 전자적 功能에 대한 조절 가능한 자유도로 사용될 수 있는지 보여준다.

제안 방법

• ErMnO3에서 도메인 벽의 전자 구조와 도전도를 모델링하기 위해 처음으로 원리에 기반한 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용한다.
• 관측된 이방성 도전도 행동을 설명하기 위해 현상학적 이론을 사용한다.
• 다양한 종류의 도메인 벽(예: 머리-머리, 꼬리-꼬리)에서 전자 재구성과 전하 분포를 분석한다.
• 격자 변형과 오비탈 정렬이 비180° 도메인 벽을 안정화시키는 역할을 조사한다.
• 계산된 도전도를 도메인 벽의 대칭성과 정렬에 관련지어 분석한다.
• 도메인 벽 정렬에 따른 도전도 변화에 대한 실험 관측 결과와의 비교를 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헥사곤형 망간산염에서 반도체 도메인 벽의 전기적 도전도는 이방성이고 정렬에 따라 달라질 수 있는가?
• RQ2 ErMnO3에서 머리-머리 및 꼬리-꼬리 도메인 벽의 안정성 기원은 무엇이며, 전자적 수송에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 외부 전기장에 의해 도메인 벽에서의 도전도는 어느 정도 조절될 수 있는가?
• RQ4 도메인 벽에서의 전자 구조는 부피상 또는 전통적인 이종접합과 어떻게 다를까?
• RQ5 도메인 벽의 정렬이 전자 기기의 동적 제어 매개변수로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 헥사곤형 ErMnO3에서 도메인 벽의 전기적 도전도는 도메인 벽의 정렬에 따라 최대 한 계단 차이로 변화한다.
• ErMnO3에서 머리-머리 및 꼬리-꼬리 도메인 벽은 전자 및 격자 재구성 효과로 인해 예상치 못한 안정성을 보인다.
• 처음으로 원리에 기반한 DFT 계산은 도전도의 이방성이 도메인 벽에서 비대칭적인 전하 분포와 오비탈 혼성화에서 기인함을 확인한다.
• 도전도는 도메인 벽 정렬의 연속적인 함수로서, 조절 가능한 전자 반응을 가능하게 한다.
• 비180° 도메인 벽의 안정성은 스핀, 오비탈, 격자 자유도 간의 상호작용에 기인한다.
• 이러한 발견은 도메인 벽 정렬이 전기적으로 조절 가능하며, 고정된 산화물 이종접합의 동적 대안을 제공함을 보여준다.