[论文解读] Controllable Defect Engineered True Super-Tetragonal BiFeO3 with Enhanced Tetragonality

Chao Chen, Chang‐An Wang+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2019

Multiferroics and related materials被引用 3

一句话总结

本研究通过氦离子注入实现了在BiFeO3薄膜中可控的缺陷工程，稳定了具有增强四方性的真正超四方相（c/a ≈ 1.3），这是在BiFeO3中实验测得的最高值。该方法实现了从混合菱方相/类四方相到单域真正四方相的相变，并在退火后观察到可逆的记忆效应。

ABSTRACT

Defect engineering has been a powerful tool to enable the creation of exotic phases and the discovery of intriguing phenomena in ferroelectric oxides. However, accurate control the concentration of defects remains a big challenge. In this work, ion implantation, that can provide controllable point defects, allows us the ability to produce a controlled defect-driven true super-tetragonal (T) phase with enhanced tetragonality in ferroelectric BiFeO3 thin films. This point defect engineering is found to drive the phase transition from the as-grown mixed rhombohedral-like (R) and tetragonal-like (MC) phase to true tetragonal (T) symmetry. By further increasing the injected dose of He ion, we demonstrate an enhanced tetragonality super-tetragonal (super-T) phase with the largest c/a ratio (~ 1.3) that has ever been experimentally achieved in BiFeO3. A combination of morphology change and domain evolution further confirm that the mixed R/MC phase structure transforms to the single-domain-state true tetragonal phase. Moreover, the re-emergence of R phase and in-plane stripe nanodomains after heat treatment reveal the memory effect and reversible phase transition. Our findings demonstrate the control of R-Mc-T-super T symmetry changes and the creation of true T phase BiFeO3 with enhanced tetragonality through controllable defect engineering. This work also provides a pathway to generate large tetragonality (or c/a ratio) that could be extended to other ferroelectric material systems (such as PbTiO3, BaTiO3 and HfO2) which may lead to strong polarization enhancement.

研究动机与目标

• 通过精确控制点缺陷浓度，实现对BiFeO3薄膜中奇异相的稳定。
• 克服铁电氧化物中缺陷工程不可控的挑战。
• 在实验上实现BiFeO3中具有增强四方性的真正四方相。
• 探索缺陷工程相变中的可逆性与记忆效应。
• 建立一种可扩展的路径，以增强钙钛矿铁电体的极化性能。

提出的方法

• 使用He+离子注入在BiFeO3薄膜中引入可控点缺陷。
• 系统性地改变He+离子注入剂量，以调节缺陷浓度并驱动相变。
• 利用原位和非原位表征手段（如XRD、TEM、PFM）监测结构与畴结构的演化。
• 通过退火处理探究相变中的可逆性与记忆效应。
• 分析c/a比随离子注入剂量的变化，以量化四方性增强的程度。
• 将形貌变化与畴结构演化与相对称性转变相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过离子注入实现的可控点缺陷能否在BiFeO3中稳定真正四方相？
• RQ2 通过缺陷工程在BiFeO3中可实现的最大四方性（c/a比）是多少？
• RQ3 缺陷浓度如何影响从混合菱方相/类四方相到真正四方对称性的相变？
• RQ4 缺陷工程的相是否在热处理后表现出可逆的相变？
• RQ5 这种缺陷工程策略是否可推广至其他铁电材料，如PbTiO3、BaTiO3或HfO2？

主要发现

• 氦离子注入成功驱动了BiFeO3薄膜中从混合菱方相/类四方相（R/MC）到真正四方相（T）的相变。
• 实现了c/a比约为1.3的超四方相，这是在BiFeO3中实验测得的最高值。
• 形貌与畴结构演化分析证实，在最优离子注入后形成了单域真正四方相。
• 退火处理后，菱方相及面内条纹状纳米畴重新出现，表明存在可逆相变与记忆效应。
• 缺陷工程方法实现了对对称性转变（R → MC → T → 超-T）的精确控制，展示了可调谐的铁电性能。
• 该方法为增强其他钙钛矿铁电体（如PbTiO3、BaTiO3和HfO2）的四方性与极化性能提供了可扩展的路径。