[论文解读] Anisotropic conductance at improper ferroelectric domain walls

Dennis Meier, Seidel, Jan+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2011

Multiferroics and related materials参考文献 27被引用 7

一句话总结

本文展示了在六方铒锰酸盐（hexagonal ErMnO3）的铁电畴壁处，电导率具有各向异性，其数值可因畴壁取向不同而变化一个数量级。通过第一性原理计算与现象学理论，作者表明该行为源于反常稳定的头对头与尾对尾畴壁，从而可通过外加电场实现电导率的可调谐——这是一种动态替代固定氧化物异质结构的新方法。

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.

研究动机与目标

• 探索非正当铁电材料中畴壁的电学性质，特别是六方铒锰酸盐（hexagonal ErMnO3）中的表现。
• 通过利用可调谐的畴壁构型，突破氧化物异质结构中固定界面的几何限制。
• 理解畴壁处各向异性电导率的起源及其对畴壁取向的依赖性。
• 建立头对头与尾对尾畴壁稳定性与其电学响应之间的关联。
• 证明畴壁取向可作为氧化物材料中电子功能的可调自由度。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟铒锰酸盐中畴壁处的电子结构与电导率。
• 运用现象学理论解释观测到的各向异性电导率行为。
• 分析不同畴壁类型（如头对头、尾对尾）处的电子重构与电荷分布。
• 研究晶格畸变与轨道有序在稳定非180°畴壁中的作用。
• 将计算得到的电导率与畴壁的对称性及取向相关联。
• 通过与实验观测到的畴壁取向间电导率变化对比，验证结果的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在六方锰酸盐的铁电畴壁处，电导率是否具有各向异性且依赖于取向？
• RQ2 铒锰酸盐中头对头与尾对尾畴壁的稳定性源于何种机制？其对电子输运有何影响？
• RQ3 外加电场可在多大程度上调控畴壁处的电导率？
• RQ4 畴壁处的电子结构与体相或传统异质界面有何不同？
• RQ5 畴壁取向能否作为电子器件中动态控制参数？

主要发现

• 在六方铒锰酸盐中，畴壁处的电导率可因畴壁取向不同而变化一个数量级。
• 铒锰酸盐中的头对头与尾对尾畴壁由于电子与晶格重构效应而表现出出乎意料的稳定性。
• 第一性原理DFT计算证实，电导率各向异性源于畴壁处电荷分布的非对称性与轨道杂化。
• 电导率是畴壁取向的连续函数，从而实现可调谐的电子响应。
• 非180°畴壁的稳定性归因于自旋、轨道与晶格自由度之间的协同作用。
• 研究结果表明，畴壁取向可被电场调控，为静态氧化物异质界面提供了一种动态替代方案。