[论文解读] Nonvolatile Electric-Field Control of Inversion Symmetry

Lucas Caretta, Yu‐Tsun Shao+21 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2022

Multiferroics and related materials被引用 5

一句话总结

本研究展示了在TbScO3衬底上外延生长的BiFeO3（BFO）异质结构中，非挥发性、可逆的电场诱导相变，可在中心对称的绝缘相与非中心对称的半导体相之间切换。通过施加面内电场，研究人员实现了室温下对反演对称性的稳定控制，使非线性光学响应变化超过三个数量级，电阻率变化超过五个数量级，从而实现具有可调光学、电学和铁电性能的交叉功能器件。

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.

研究动机与目标

• 在复杂氧化物异质结构中稳定共存具有不同对称性的相。
• 利用电场实现中心对称相与非中心对称相之间的非挥发性、可逆切换。
• 在功能氧化物体系中实现室温下对反演对称性的控制。
• 利用由此产生的光学、电学和铁电响应变化，实现交叉功能器件应用。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法，在TbScO3层之间外延生长BiFeO3（BFO）异质结构。
• 通过上下栅电极施加面内电场，调节BFO的晶体对称性。
• 利用压电力显微镜（PFM）、非线性光学光谱和电输运测量，监测中心对称（绝缘）与非中心对称（半导体）BFO之间的相变。
• 通过非挥发性存储行为和重复循环测试，验证了开关态的稳定性。
• 采用第一性原理计算与对称性分析，解释电场诱导对称性破缺的起源。
• 通过结构设计，使系统在外部电场下于室温下保持相共存状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 面内电场能否在BiFeO3中诱导出非挥发性、可逆的中心对称相与非中心对称相之间的切换？
• RQ2 在对称性切换过程中，光学与电学响应的变化幅度及其稳定性如何？
• RQ3 具有不同对称性的相共存如何影响异质结构的功能特性？
• RQ4 能否在无需热或机械刺激的情况下控制相变？
• RQ5 界面应变与介电限域在稳定混合相态中起什么作用？

主要发现

• 施加面内电场可在室温下诱导BiFeO3中非挥发性、可逆的相变，实现中心对称绝缘相与非中心对称半导体相之间的切换。
• 该切换导致非线性光学响应变化超过三个数量级。
• 电阻率在对称性切换过程中变化超过五个数量级。
• 极性有序与铁电响应同时被调制，证实了对铁电态的有效控制。
• 该相变在重复循环中保持稳定，证实了非挥发性存储行为。
• 系统在外部电场下维持了不同对称性相的共存，实现了可调谐的多功能性。