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[材料资讯] 陈祖煌课题组:铁电外延薄膜中铁弹畴的大面积、非局域翻转

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发表于 2019-9-5 08:17:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
校区材料学院、材料基因与大数据研究院、柔性电子中心陈祖煌教授与校本部土木学院路晓艳博士和加州大学伯克利分校Lane Martin教授合作,在铁电PbTiO3外延薄膜中观察到“多米诺骨牌”式大面积铁弹翻转,研究结果于9月2日在Nature 子刊Nature Communications在线发表。论文题目为“Mechanical force-induced, non-local, and collective ferroelastic switching in epitaxial lead titanate thin films”。

    铁电材料在信息存储、能源转换和传感驱动等领域具有广泛的应用,属于国家重点发展的战略性先进电子材料。铁电材料中畴结构及其翻转行为对其铁电、压电和介电性能起着决定性的作用,因此对畴结构的研究和调控就显得尤为重要。其中,铁弹畴翻转伴随着大的应变及物理突变效应,降低铁弹畴的极化反转能垒及可控翻转对开发低功耗存储器、高灵敏度传感和驱动器等电子器件具有重要价值。然而,铁电外延薄膜因受衬底应变夹持作用,铁弹畴翻转过程被强烈抑制,使得由外场驱动的非易失性的铁弹应变在集成的薄膜器件中难以实现。

    针对铁电薄膜中铁弹翻转被限制的瓶颈问题,路晓艳博士与陈祖煌教授利用脉冲激光沉积外延生长高质量PbTiO3外延薄膜,通过设计衬底应变、调控畴结构共存状态,在薄膜中实现a/c、a1/a2畴结构在纳米尺度多畴共存和协同翻转效应。研究结果发现, 仅600纳牛的四个点力即可驱动薄膜中铁弹畴发生大面积、非局域翻转,并实现了单一面外电场即可驱动铁电极化从面外向面内翻转的多物理状态可重复调控。进一步结合相场计算,揭示了大面积、非局域铁弹翻转的动态衍变过程和相关物理机制。

铁电薄膜

铁电薄膜

铁电薄膜中的面外电压对极化翻转的分阶调控


    该工作首次在铁电外延薄膜中观察到的“多米诺骨牌”式大面积、非局域铁弹畴翻转,对开发低功耗、多态存储器件以及高灵敏度微纳力传感器和压电驱动器具有重要意义。

    我校为论文第一署名单位,陈祖煌教授、路晓艳博士以及加州大学伯克利分校Lane Martin教授为论文共同通讯作者。参与研究的还有校区材料学院刘兴军教授和谢国强教授,以及德克萨斯大学阿灵顿分校、劳伦斯伯克利国家实验室、阿贡国家实验室、宾州州立大学、华盛顿大学、南洋理工大学和南方科技大学等学者。论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-019-11825-2

    陈祖煌博士。现为哈尔滨工业大学深圳校区材料科学与工程学院教授、博导。长期从事铁电、铁磁、多铁和强关联电子体系等新型电子功能薄膜材料的制备、结构和性能调控、相关物理机制研究,探索功能氧化物薄膜在低功耗存储、传感与驱动等领域的应用。主要涉及在原子尺度上对氧化物薄膜和异质结的设计及外延生长,铁电、铁磁、压电、磁电和光电等性能表征和相关物理机制研究,以及相关器件的优化设计及制备。迄今,在Phys. Rev. Lett., PNAS, Nature Nanotechno., Adv. Funct. Mater., Nature Commun. (3篇), Sci. Adv. (2篇), Nano Lett.(3篇), ACS Nano(3篇), Adv. Mater.(6篇), Phys. Rev. B (7篇), Appl. Phys. Lett. (13篇)等国际期刊上发表SCI论文60余篇;研究成果被Nature,Science, Nature Mater., Nature Nanotechnol., Nature Phys, Nat. Rev. Mater.,Rev. Mod. Phys.,Phys. Rev. Lett.等期刊引用。

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