Nature子刊：由电场控制的间金属薄膜中的电性可逆裂纹

【引言】

近来，将相变磁性间金属合金薄膜与功能性铁电体氧化物结合在一起，通过小电场控制可以有效调控间金属间的磁性和电阻率，为低耗能存储器应用提供了良好的前景。另外，铁电氧化物的压电效应已被广泛应用于机械能量收集，机械传感器和电机中。然而，铁电陶瓷在循环电场下会由于微观内部应力而产生裂纹，这在大多数铁电应用是有害的。

由于表面缺陷对铁电畴的钉扎作用，铁电材料中部分畴不能在外加电场下自由反转。当给铁电材料施加周期性外加电场时，可自由反转和不能反转的畴交界处就会积聚很大的内部应力，当这种内部应力对应的弹性能高于铁电材料的表面能时，铁电材料表面就会出现纳米或者微米尺度裂痕。这些裂痕在周期性电场下会可逆开关并且会进一步生长扩展，对很多应用非常有害。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学刘知琪(通讯作者)在顶级期刊Nature Communications发表了题目为“Electrically reversible cracks in an intermetallic film controlled by an electric field”的文章，报道了一种新型的由间金属薄膜和铁电氧化物组成的异质结构，用于室温记忆的应用研究。

【图文导读】

图1. 35nm厚的MnPt / PMN-PT异质结构的横截面结构表征

图2.室温下进行巨电转换实验

a.在PMN-PT中产生裂纹的电波形

b.电阻测量几何的示意图

c.通道电流I_sd的重复和可再现的切换作为栅极电场E_G的函数，在300K下由V_sd= 0.1V的测量

d.最后一次扫描的PMN-PT衬底中的对应开关电流

图3.在扫描栅极电场EG之后，在MnPt膜中的单个裂纹的由电场驱动的可逆裂纹原子力显微镜图像（5×5μm²）

a.从+3.3 kV / cm到0 kV / cm

b.从-3.3kV / cm到0kV / cm。

c，d.示意图显示（001）PMN-PT表面上的电场（E）诱导的可逆和非易失性裂纹形成和闭合可由可逆的和非易失性E诱导的109°偏振转换产生。

e.当应变为ON（第一行中的第一个图像）和OFF（剩余图像）时裂纹演变的相位场模拟。彩条显示相位变量的大小，在裂纹区域为1，在PMN-PT中为0，并且在其界面上连续变化

图4.破解增长动态和耐力测试。

a. 在不同的循环场频率下裂纹扩展长度与电循环次数的关系，三角波周期电场的幅值为1.3kV / cm

b. 0.1V测量的双探针电阻与单个裂纹上的栅极电场脉冲数的关系，脉冲宽度为10μs，振幅为1.3kV / cm

c. 单个裂纹的不同阻力状态的保留长达60天

【小结】

本文研究报告了一个在小电场（-0.83kv/cm）驱动的铁电基片上生长的间金属薄膜中的纳米级裂纹的电可逆打开和关闭。通过在铁电氧化物单晶衬底上集成适度力学延展性能的间金属薄膜，外部电场驱动的铁电氧化物中的裂纹的机械开合可以通过界面应变转移到金属间化合物薄膜中，然后铁电氧化物有效地作用以类似于打开/关闭电断路器的方式机械地打开和闭合金属间薄膜中的裂缝，室温下在金属间化合物薄膜的裂纹上测定得到了10⁸以上的非易失性巨电阻的开关比。 低频电压循环容易形成裂缝，并在高频率工作时保持稳定，这为下一代高频率存储器应用提供了有吸引力的潜力。此外，耐久性测试表明，这种裂纹的开启和关闭可以在10μs的脉冲下达到超过10⁷个周期，也不会造成灾难性的失效，这一研究“变害为利”，为信息存储开辟了新途径。

文献链接：Electrically reversible cracks in an intermetallic film controlled by an electric field

（Nat. Commun.，2018，DOI：10.1038/s41467-017-02454-8.）

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本文由材料人编辑部金属学术组张润凯编译。

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