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以“退”为进——BiFeO3铁电畴的精确调控
在铁电薄膜和器件中，一种称为“退极化场”的界面效应常常成为令科研工作者和器件工程师们自信殆尽的“邪恶势力”。有时候它强大到足以蚕食甚至完全抹灭铁电材料的看家本领——铁电性。正因为如此，一直以来人们都绞尽脑汁地探索各种方法消除退极化场。然而，事物都有两面性。如果反其道而行之，实现有效调控退极化场的大小使其在铁电体系中加以利用，能否达到以“退”为进、化腐朽为神奇的效果呢？
众所周知，BiFeO3(BFO)是室温单相多铁的明星材料，其畴壁具有大量优异的特性（如畴壁导电性、光伏效应、磁电耦合效应等），使其研究热度持续升温。然而，其畴结构的精确控制及畴壁翻转行为研究（尤其是109°畴）的滞后都在一定程度上阻碍了其畴壁特性及磁电耦合效应的研究，这主要是由于109°周期性条带畴制备的可重复性较差及其在电场调控磁性方面的研究瓶颈。
近日，Nano Letters上刊登的最新研究成果为该问题的解决提供了有效途径。该研究首次提出了在底电极和BFO薄膜之间引入一层La-BiFeO3(LBFO)超薄非铁电的介电层进行退极化场大小的调控，从而精确控制BFO的71°和109°周期性条带畴结构；他们首次获得了具有优异导电性底电极的109°周期性条带畴并对其畴壁翻转行为进行研究，同时在BFO/LBFO超晶格中也证明了这种界面效应对畴结构的调控作用。完美的71°和109°周期性条带畴的获得，也明确了CoFe/BFO体系中的交换偏置根源于109°畴壁。
作者希望该研究在以下几个方面能够给相关学者启迪。(1) 在室温电控磁方面，通过铁磁层(以CoFe为例)与71°畴BFO的交换增强作用，研究电场往复调控磁化的翻转。这一方向当前正进行得如火如荼，成果颇丰。然而，CoFe与109°畴BFO之间虽然能够产生巨大交换偏置，但该体系中室温电场往复调控交换偏置的研究却寥寥无几。该研究证明了109°畴在电场下非可逆调控，因此实现电场往复调控交换偏置的首要问题是如何获得电场下可逆调控的109°畴。(2) PbTiO3/SrTiO3超晶格中铁电涡旋畴的发现是最近铁电领域的一大亮点[Nature, 530, 198 (2016)]，未来能否在BFO体系中获得室温多铁涡旋畴将会受到极大关注。
该研究工作由华南师范大学、加州大学伯克利分校、美国橡树岭国家实验室、华南理工大学、南京大学、南方科技大学等国内外科研机构合作完成，受到了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、美国国家科学基金Translational Applications of Nanoscale Multiferroic Systems (TANMS)和Energy Efficient Electronics Science (E3S) 等重大项目的支持。
该论文作者为: Deyang Chen, Zuhuang Chen, Qian He, James D. Clarkson, Claudy R. Serrao, Ajay K. Yadav, Mark E. Nowakowski, Zhen Fan, Long You, Xingsen Gao, Dechang Zeng, Lang Chen, Albina Y. Borisevich, Sayeef Salahuddin, Jun-Ming Liu, and Jeffrey Bokor
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Interface Engineering of Domain Structures in BiFeO3 Thin Films
Nano Lett., 2017, 17, 486–493, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04512