研究成果以“揭示Hf0.5Zr0.5O2薄膜中隔離帶在鐵電疇翻轉動力學中的作用”(Revealing the Role of Spacer Layer in Domain Dynamics of Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films for Ferroelectrics)為題最近在線發(fā)表在材料領域著名學術期刊Advanced Functional Materials。先進材料與納米科技學院副教授彭仁賜、與博士生文樹斌為論文共同第一作者，廖敏教授與周益春教授為共同通訊作者，其他重要貢獻者包括深圳大數(shù)據(jù)研究院研究科學家程曉行博士、美國賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授。研究工作受到國家自然科學基金委和陜西省自然基金等支持。

圖 1. 氧化鉿鐵電正交相晶胞中隔離帶的示意圖[1]

為了從介觀尺度揭示微觀“隔離帶”結構的作用，本文構建了HZO鐵電薄膜順電四方相(T)-鐵電正交相(O)的相場模型。圖2展示了極化的溫度依賴特性以及相應的疇結構。圖2(b)中極化在居里溫度處突變?yōu)榱?，表明T-O相變?yōu)橐浑A相變，這與實驗相符，表明了模型的可靠性。此外。圖2(d)表明，室溫下HZO薄膜是由b疇和c疇混合構成，而在外電場作用下b疇發(fā)生鐵彈翻轉成為c疇，這揭示了喚醒效應的一個主要機制。

圖 2. Hf0.5Zr0.5O2(HZO)薄膜中，相場模擬得到的極化強度隨溫度變化曲線及在不同溫度下HZO薄膜鐵電疇結構

為了從介觀尺度揭示“隔離帶”結構對疇演化的影響，對比了HZO鐵電薄膜和BaTiO3(BTO)鐵電薄膜的疇翻轉以及疇壁特性。圖3(a-c)展示了施加和撤去方形局域電場后HZO鐵電疇的演化行為，結果表明：面內尺寸為1 nm的反向疇能夠獨立翻轉并在撤去電場后仍能穩(wěn)定存在，表明HZO中相鄰鐵電疇之間的相互作用可以忽略，這種相互作用能通過梯度能系數(shù)來量化，這揭示了隔離帶在鐵電疇動力學中的介觀機制。而BTO鐵電疇穩(wěn)定存在的面內臨界尺寸為4 nm，3 nm及以下尺寸的鐵電疇不能貫穿薄膜并穩(wěn)定存在，表現(xiàn)出較強的疇間相互作用（圖3(d-h)）。圖3(i-j)表明，HZO具有尖銳的疇壁而BTO的疇壁為擴散型，這也反映了兩者間疇翻轉行為的顯著差異。

圖3. HZO鐵電薄膜中鐵電疇的獨立翻轉及疇壁特性與鈣鈦礦鐵電BTO薄膜的對比 

進一步地，為了揭示電場作用下的“隔離帶”對疇演化行為的影響規(guī)律，可視化了HZO薄膜中鐵電疇翻轉的動態(tài)過程，如圖4所示。圖4(c-j)展示了電場作用下鐵電疇翻轉的整個過程，鐵電疇形核階段主導了整個翻轉過程，而疇長大過程所需的時間步長幾乎可以忽略，且模擬結果與形核受限翻轉(NLS)模型一致，因此其極化翻轉機制由新疇形核來主導。

圖4. HZO鐵電薄膜中180°疇翻轉動態(tài)過程的可視化及極化翻轉機制

原文鏈接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202403864

崔歡歡