[论文解读] Origin of ferroelectric domain wall alignment with surface trenches in ultrathin films

Baker, Jack S., Bowler, David R.|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 3

一句话总结

本研究揭示，在超薄PbTiO3薄膜中，铁电畴壁（DW）与表面沟槽的对齐是由通过恢复极化连续性来最小化去极化场所驱动的。通过使用最多5,136个原子的大规模密度泛函理论（DFT）模拟，作者表明，当DW与沟槽平行对齐时，可通过保持极化连续性来稳定极性结构，从而抑制不稳定的电场。该机制解释了实验中观察到的负应变现象，并实现了对螺旋调制等奇异极性结构的工程化设计。

ABSTRACT

Engraving trenches on the surfaces of ultrathin ferroelectric (FE) films and superlattices promises control over the orientation and direction of FE domain walls (DWs). Through exploiting the phenomenon of DW-surface trench (ST) parallel alignment, systems where DWs are known for becoming electrical conductors could now become useful nanocircuits using only standard lithographical techniques. Despite this clear application, the microscopic mechanism responsible for the alignment phenomenon has remained elusive. Using ultrathin PbTiO$_3$ films as a model system, we explore this mechanism with large scale density functional theory simulations on as many as 5,136 atoms. Although we expect multiple contributing factors, we show that parallel DW-ST alignment can be well explained by this configuration giving rise to an arrangement of electric dipole moments which best restore polar continuity to the film. These moments preserve the polar texture of the pristine film, thus minimizing ST-induced depolarizing fields. Given the generality of this mechanism, we suggest that STs could be used to engineer other exotic polar textures in a variety of FE nanostructures as supported by the appearance of ST-induced polar cycloidal modulations in this letter. Our simulations also support experimental observations of ST-induced negative strains which have been suggested to play a role in the alignment mechanism.

研究动机与目标

• 阐明超薄薄膜中铁电畴壁（DW）与表面沟槽对齐的微观机制。
• 解决先前关于机械应变、压电效应或畴壁或畴中心直接钉扎的相互矛盾的解释。
• 建立利用表面缺陷工程化设计奇异极性结构的一般性原则。
• 验证去极化场最小化作为DW-沟槽对齐主要驱动力的作用。

提出的方法

• 使用O(N)缩放的CONQUEST代码进行大规模密度泛函理论（DFT）模拟，基组为单ζ加极化（SZP），并采用规范守恒赝势。
• 模拟在自由悬挂的7单元晶胞厚PbTiO3薄膜上进行，包含20 Å的真空区域以避免图像相互作用。
• 通过Resta的线性响应近似计算极化率和极化，Born有效电荷来自先前的计算。
• 以不同配置引入表面沟槽，相对于畴壁和畴中心（与畴壁平行、与畴中心平行、垂直）。
• 系统初始化为理论平衡畴周期（Λ = 12个单元晶胞）下的通量闭合多结构，经能量最小化后确认。
• 通过将平面内超胞加倍并引入小旋转（约5°）来包含反铁畸变（AFD）模式，随后进行完全弛豫。

实验结果

研究问题

• RQ1 超薄薄膜中铁电畴壁与表面沟槽对齐的微观起源是什么？
• RQ2 该对齐是否源于应变效应、压电耦合或静电稳定化？
• RQ3 是畴壁还是畴中心为主要钉扎位点，抑或是集体极化效应？
• RQ4 该对齐是否可通过恢复极性结构连续性来最小化去极化场来解释？
• RQ5 该机制能否推广用于工程化设计其他奇异极性结构？

主要发现

• 畴壁与表面沟槽的平行对齐主要由极化连续性的恢复所驱动，从而最小化去极化场的形成。
• 当沟槽与畴壁平行时达到最稳定构型，因为这能保持极性结构并降低静电能。
• 模拟确认，在无基底条件下，平衡畴周期为12个单元晶胞，与实验观测一致。
• 引入反铁畸变（AFD）模式后，薄膜中出现了工程化的极性螺旋调制。
• 模拟再现了实验中在沟槽附近观察到的负应变，支持其在对齐机制中的作用。
• 该方法保持了结构精度和正确的相序（多结构铁电体 > 平面内极性 > 顺电相），尽管绝对能量差值略有高估。