加州大学欧文分校Phys. Rev. Lett.：多铁性材料的缺陷引起的刺猬状偏振态

【引言】

由于强关联氧化物中自旋，电荷，轨道和晶格自由度的相互作用而产生的准一维铁磁态通常表现出复杂的极化或自旋纹理和独特的性质，对开发新的器件具有很大的希望。这些磁性状态可以通过磁场有效地控制，或者以超低电流密度通过自旋转移力矩驱动，因此可以潜在地应用于高密度磁存储器或电流驱动器件。同时，对铁电体中新的极化态的研究也引起了相当大的兴趣，因为使用比磁体中的对应物更小的铁电态作为纳米器件中的功能元件是特别有吸引力的。

【成果简介】

近日，美国加利福尼亚大学欧文分校Xiaoqing Pan（通讯作者）课题组在Phys. Rev. Lett.上发表了题为“Defect-Induced Hedgehog Polarization States in Multiferroics” 的文章。研究团队表明纳米级缺陷，如非化学计量的纳米区域（NSNRs），可以作为纳米构建块在原型多铁性BiFeO₃中创建复杂的电极化结构。一系列带电荷的NSNRs是在BiFeO₃薄膜通过调整薄膜生长过程中的基底温度。原子尺度扫描透射电子显微镜成像揭示了围绕这些NSNRs的外来偏振旋转模式。偏振模式类似于刺猬或涡旋拓扑结构，并且可以引起晶格对称性的局部化，导致类似于具有高压电性的准同型相边界的混合相结构。相场模拟表明观察到的极化构型主要由NSNR处的带电状态引起。因此，工程缺陷可能为开发铁电或多铁基纳米器件提供新的途径。

【图文导读】

图1原子结构和BiFeO₃薄膜中的缺陷。

（a）BiFeO₃的拟立方体结构的原子模型；

（b）沿[100] PC区轴的横截面观察的BiFeO₃薄膜的HAADF STEM图像；

（c）BiFeO₃（BFO）/ TbScO₃（TSO）界面区域的HAADF STEM图像；

图2原子结构与BFO薄膜中的半圆形缺陷有关。

（a）包含一个典型的半圆环缺陷的BFO/TSO界面区域的HAADF STEM图像；

（b）缺陷[图（a）中的红色矩形突出显示区域“B”中的非化学计量平面单位的放大图像以及其右侧对应原子结构的模型；

（c）在缺陷（a）中的红色矩形突出显示区域“C”中的非化学计量阶梯单元的放大图像以及其右侧相应原子结构的模型；

图3BFO薄膜中半圆环缺陷周围纳米区的极化图。

（a）与图2（a）相同的HAADF STEM图像覆盖偏振矢量；

（b）通过与实验观察结构相似的带电缺陷稳定的畴结构的像面中的偏振分布的相场模拟；

图4由BFO薄膜中三种不同缺陷诱导的纳米区的极化图。

（a）-（c）在BFO/TSO界面上方的三种不同缺陷的HAADF STEM图像；

（d）由（a）中的环形缺陷和由（b）和（c）中的蓝色矩形强调的三个不同纳米区域中的环形缺陷所包围的纳米区域中的极化矢量的放大图；

【小结】

该研究团队利用纳米级带电缺陷证明了多铁性BiFeO₃薄膜中新型刺猬蛋白和反刺猬蛋白纳米结构域的稳定性。纳米区域提供了新的机会来探索自旋，电荷，轨道和具有强电子相关系统的自由度的复杂相互作用。由于刺猬状态被限制在纳米尺寸结构缺陷内，可以接近尺寸至几个单位晶胞，并且具有比薄膜中的主体域高得多的密度。因此打开了在相对较厚的铁电薄膜中创建高密度纳米区域的大门，可以克服域尺寸或密度的限制，该尺寸定律规定域宽度与样品厚度的平方根成比。垂直于刺猬平面的偏振分量可能是可切换的。因此，进一步研究应用领域的电学和磁电性质和动力学可能有助于纳米电子器件如高密度存储器的未来发展。另一方面，众所周知，通过向陶瓷添加少量施主掺杂剂进行缺陷工程可以在施主与晶体结构中的阳离子空位之间产生随机取向的缺陷偶极子，促进了畴壁运动，从而导致增强的压电性能。由纳米级杂质缺陷所稳定的反对称偏振态具有混合相结构，这种结构让人想起在准同型相界附近的铁电畴。也可能表现出增强的特性，如巨大的压电性，因此对机电应用具有潜在的吸引力。

文献链接：Defect-Induced Hedgehog Polarization States in Multiferroics（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI： 10.1103/PhysRevLett.120.137602）

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