原子力显微镜案例分享 | 控制铁电材料畴壁的电荷传导

科研人员对自组装的BFO纳米岛阵列进行了可逆极化翻转特性的研究。他们借助原子力显微镜（AFM）对样品的电学特性以及机电耦合特性进行了表征，实验结果表明这一体系可以创造出稳定的导电畴壁，且其导电性可以变化约1000倍。

铁电材料中的导电畴壁（DW）相当于一种特定路径的电荷传导通路，可以用于实现超低功耗的非易失存储器。然而，在极化翻转的过程中对导电畴壁的具体位置以及导电性的精准操控仍然具有很强的挑战性。

来自中国清华大学以及其它几所著名高校的研究人员通过探究铁酸铋（BFO）材料的受控极化翻转行为对这一热点问题进行了深入研究。其研究样品为自组装的斜方变形BFO纳米岛（R相）嵌入在铝酸镧（LAO）上的四方变形BFO薄膜（T相）中。

研究人员通过原子力显微镜对样品进行了导电性以及局部机电耦合特性的表征，从而在纳米尺度上对其电荷传导以及极化行为进行进一步的研究。结果表明这一体系具有十字形的拓扑受限导电畴壁结构，且其具有两种稳定的电畴形态。在这两种极化形态间的可逆转换可以改变导电畴壁的导电性，且其变化值超过了1000倍。

研究人员对样品进行了超过100次的强/弱导电性状态的转换，并对电流进行测量，其测量结果在几个月的实验周期内仍能保持稳定。这一实验所展示出的高度可重复性与稳定性使得新型铁电纳米器件的大规模商业化生产成为了可能。

Instrument used

MFP-3D Infinity, ORCA导电AFM模块

Techniques used

研究人员通过牛津仪器多场耦合原子力显微镜MFP-3D Infinity的导电模块（ORCA）获取了样品的电流图以及电流-电压曲线（I-V curves）。他们使用了铂//铱镀层探针作为顶电极。如上图所示，ORCA模块在超过四个数量级的宽广测量范围下（1pA-20nA）仍能保持很低的噪音水平，从而确保精准的测试结果。研究人员还通过Infinity系统的压电力显微镜（PFM）研究了样品的局部机电耦合特性。他们分别获取了样品的面内以及面外PFM图像，且在面内测试时对样品进行了不同角度的旋转，从而表征出了样品电畴的三维结构。上述实验充分体现了牛津仪器Infinity系统强大的多功能性以及稳定的高性能。

Citation:
J. Ma, J. Ma, Q. Zhang et al., Controllable conductive readout in selfassembled, topologically confined ferroelectric domain walls. Nat. Nanotechnol. 13, 947 (2018).

Note: The data shown here are reused under fair use from the original article, which can be accessed through the article link above.

欢迎关注牛津仪器

The Bussiness of Science

400 678 0609 | www.oxinst.cn