悉尼大学廖晓舟教授课题组Nat. Commun.：铁电退化的微观机制

【引言】

铁电材料在纳米电子器件中的地位越来越重要，然而由循环电场加载导致的极化翻转失效问题，即铁电退化，制约着基于铁电材料的纳米电子器件的发展。铁电退化会改变铁电材料的诸多物理性能，包括矫顽场，剩余极化强度等，导致铁电材料使用寿命的缩短，影响了纳米电子器件的可靠性和稳定性。随着铁电材料在纳米电子器件中的需求越来越高，对于循环电场加载导致的铁电退化问题的研究变得迫在眉睫。

【成果简介】

近日，澳大利亚悉尼大学廖晓舟教授（共同通讯作者）课题组的黄芊蔚博士（第一作者）和陈子斌博士（共同通讯作者）等人在国际顶级期刊Nature Communications期刊上发表了题为Direct observation of nanoscale dynamics of ferroelectric degradation的论文。在这项工作中，作者首次报道了由循环电场加载导致的铁电退化的微观机制。文章作者使用基于MEMS芯片的原位透射电子显微技术对单晶铁电材料Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.38PbTiO₃（PMN-0.38PT）实时观测在循环电场加载下铁电畴结构的演化。他们发现随着电场加载周次的增加，在样品初始90°畴壁处出现了新畴。选区电子衍射证实了这些新畴的极化方向为面外，即垂直于初始90°畴的畴向。进一步研究表明，循环电场加载下铁电畴壁处电荷密度的增加导致了这些新畴的形成和长大。畴壁处产生的电荷对新畴的极化电荷形成补偿，稳定了这些新畴，而这些新畴对外加电场不再响应，导致了铁电退化的发生。这个发现在纳米尺度上揭示了铁电退化的一个机制，对铁电材料的畴壁，界面乃至边界处在循环电场下铁电畴翻转行为作出了深度解读。

【图文导读】

图1. 原位TEM的实验装置示意图和原始a₁/a₂90°畴的确定。a 实验装置示意图。聚焦离子束制备的PMN-0.38PT样品被固定在两铂电极之间。循环电场沿着样品的 ± [100]晶向被施加到样品上。图中黄色，紫色和蓝色箭头代表a₁(a₁⁺/a₁^-),a₂(a₂⁺/a₂^-) 和c(c⁺/c^-)畴的极化方向，分别为沿着± [100], ± [010] and ± [001]的方向。b和c PMN-0.38PT 中90°条带畴的TEM图以及相对应的电子衍射花样图。d和ea₁/a₂畴在[001]方向投影的晶格示意图以及相对应的电子衍射花样示意图。仅凭借电子衍射花样图并不能区分实验中的a₁/a₂畴为a₁⁺/a₂⁺畴还是a₁^-/a₂^-畴。根据a₁畴在正负电场下的翻转行为进一步确定，实验中的a₁/a₂畴为a₁⁺/a₂⁺畴。

图2. 循环电场加载下c畴的形成。a PMN-0.38PT的畴结构在循环电场下演化的衍射衬度图以及对应的示意图。粉色双箭头代表电场施加方向。b和c 图a中绿色和红色圈内的畴的电子衍射花样图，两幅图中的衍射斑点分别往[100]^*和 [010]^*方向分立。d和ea₁⁺/c和a₂⁺/c畴在[001]方向投影的晶格示意图以及相对应的电子衍射花样示意图。f c畴投影面积随着循环电场次数增加呈指数增长。

图3. 循环电场加载下畴壁处的电荷累积。a和b 循环电场加载前后样品差分相衬度像表达的电场图。轮盘的颜色和强度分别代表电场的方向和强度。c 图b和图a的灰度差图，白箭头代表了经过循环电场加载后强度显著改变的区域。d和e循环电场加载前后的样品的衍射衬度图没有明显变化，说明局部电场强度的改变并没有改变样品结构。f 循环电场加载前（蓝色）后（红色）畴壁处的电子能量损失谱。循环电场加载后等离子体共振峰能量偏移1.2 eV，说明畴壁处电荷密度的改变，进一步证实了差分相衬度像表达的结果。

图4. 补偿电荷使c畴稳定以及c畴无法对外加电场形成响应。a c畴在原始a₁/a₂畴壁处的形核。b 样品表面电荷补偿了c畴的极化电荷，使c畴稳定。c c畴对外加电场的响应。铁电退化形成的c畴无法对外加电场响应。

【小结】

综上所述，作者在透射电子显微镜中利用衍射衬度成像、电子衍射、差分相衬度成像、电子能量损失谱和原位电子显微技术观察了在循环电场下的铁电畴翻转，提出了铁电退化的微观机制。循环电场导致电荷在畴壁处累积，促使了畴壁处新铁电畴的形成。畴壁处产生的电荷对新畴的极化电荷形成补偿，稳定了这些新畴，而这些新畴对外加电场不再响应，是导致铁电退化的一个重要原因。该工作揭示了铁电材料在循环电场下疲劳退化的新机制。

这项工作的合作者还包括悉尼大学Matthew Cabral博士，Simon Ringer教授，Yiu-Wing Mai教授，上海师范大学王飞飞教授，卧龙岗大学张树君教授，西安交通大学李飞教授，美国西北太平洋国家实验室李玉兰博士和上海硅酸盐研究所罗豪甦教授。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22355-1

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