[论文解读] Domain wall conductivity in semiconducting hexagonal ferroelectric TbMnO$_3$ thin films

D. J. Kim, John Connell+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 34被引用 15

一句话总结

本研究通过导电原子力显微镜（conductive atomic force microscopy）在半导体六方 TbMnO3 薄膜中揭示了电中性畴壁处的电导率增强现象。电导率源于缺陷偏析调控的背对背肖特基结模型，表明铁电锰氧化物中畴壁电导率并不依赖于带电畴壁，挑战了以往关于其机制的假设。

ABSTRACT

Although enhanced conductivity at ferroelectric domain boundaries has been found in BiFeO$_3$ films, Pb(Zr,Ti)O$_3$ films, and hexagonal rare-earth manganite single crystals, the mechanism of the domain wall conductivity is still under debate. Using conductive atomic force microscopy, we observe enhanced conductance at the electrically-neutral domain walls in semiconducting hexagonal ferroelectric TbMnO$_3$ thin films where the structure and polarization direction are strongly constrained along the c-axis. This result indicates that domain wall conductivity in ferroelectric rare-earth manganites is not limited to charged domain walls. We show that the observed conductivity in the TbMnO$_3$ films is governed by a single conduction mechanism, namely, the back-to-back Schottky diodes model tuned by the segregation of defects.

研究动机与目标

• 研究半导体六方铁电TbMnO3薄膜中增强畴壁电导率的起源。
• 确定h-TbMnO3中畴壁电导率是否由带电畴壁驱动，或存在其他机制。
• 确定控制观测到的畴壁电导率的主导导电机制。
• 研究缺陷偏析在调控畴壁电子性质中的作用。
• 确立畴壁电导率在铁电氧化物中的普适性，超越带电界面的限制。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法，在Pt(111)/Al2O3(0001)基底上外延生长了20个单胞（约23 nm）的h-TbMnO3薄膜，过程中结合原位RHEED与光谱椭偏仪监测。
• 利用导电原子力显微镜（CAFM）在纳米尺度分辨率下测绘局部电导率并测量电流-电压（I-V）特性。
• 使用Pt涂层导电探针施加偏压以写入和读取电阻状态，底部电极接地。
• 在不同区域测量I-V曲线：ON态区域、OFF态区域、畴壁区域以及未极化的原始区域。
• 数据通过背对背肖特基结模型进行拟合，理想因子为1.09，势垒高度为任意值。
• 采用对数正态分布函数对不同区域的电流分布进行建模，但排除了窄分布的OFF区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 六方TbMnO3薄膜中的畴壁电导率是否由带电畴壁驱动，还是由中性界面引起？
• RQ2 在h-TbMnO3中，导致畴壁处电导率增强的主导导电机制是什么？
• RQ3 缺陷偏析与能带结构变化如何影响畴壁电导率？
• RQ4 与单晶相比，是否能在薄膜中一致且可量化地观测到畴壁电导率？
• RQ5 所观测到的电导率是否在薄膜的不同区域均遵循统一的导电模型？

主要发现

• 在半导体六方TbMnO3薄膜中，电中性畴壁处观察到电导率增强，表明畴壁电导率无需依赖带电界面。
• 观测到的电导率由单一导电机制主导：理想因子为1.09的背对背肖特基结模型。
• 缺陷偏析在调节肖特基势垒高度并实现畴壁处可观测电导率方面起关键作用。
• 在-1.5 V读取偏压下，仅在OFF区域与未极化区域之间，畴壁电导率才可被观测到，因为ON区域的高电导率掩盖了畴壁信号。
• 畴壁区域与未极化区域的电流分布符合对数正态函数，而OFF区域的分布过窄，无法进行此类拟合。
• 所有区域（ON、OFF、未极化、畴壁）的归一化I-V曲线均能被同一背对背肖特基模型良好描述，证实了统一的导电机制。