特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。畴壁纳米电子学被认为是非易失性存储器和逻辑技术的一种新范式，在这种技术中，畴壁作为有源元件。铁电结构中的荷电畴壁具有亚纳米厚度，并表现出非平凡的电子和输运特性，这对于各种纳电子学应用非常有用。确定性地创建和操作荷电畴壁的能力是实现其在电子器件中的功能特性所必需的。有鉴于此，浙江大学张泽院士、田鹤教授等人报道了一种在几纳米厚的BiFeO3铁电薄膜中可控地生成和操纵面内荷电畴壁的方法。通过在扫描透射电子显微镜中使用原位偏压技术，检测到一种非常规的逐层切换机制，其中铁电畴生长发生在平行于外加电场的方向上。基于原子分辨电子能量损失谱、在线电子全息图的原位电荷映射和理论计算，证明了在荷电畴壁积聚的氧空位是畴壁稳定和运动的原因。BiFeO3薄膜平面内畴壁位置的电压控制产生了多个非挥发性电阻状态，从而证明了作为几个单位单元厚的忆阻器的关键功能特性。这些结果促进了对铁电开关行为的更好理解，并为制造单位电池级器件提供了新的策略。作者设计了SRO-BFO-SRO三层结构。在5纳米厚的对称导电SRO电极之间夹有厚度不等的铁电BFO薄膜，其厚度从2个单元到20个单元不等。薄膜生长在(001)Nb掺杂SrTiO3 (STO)单晶衬底上。钨探针施加外部原位偏置电压，同时记录薄膜的原子HAADF-STEM图像。从STEM数据中获得的SRO-BFO-SRO三层平面平均c/a比和偏离中心位移的变化与DFT计算中得到的结果非常一致。作者观察了BFO薄膜的铁电畴行为，证实了利用所设计的异质结构和原位偏压技术可以在BFO薄膜平面上产生并擦除带电畴壁。
当施加的偏压从0.5到1.5 V变化时，观察到畴壁逐层运动。作者展示了极化剖面在BFO薄膜上随外加电压增加的动态变化，畴壁显示出逐层极化切换。为了解释屏蔽机制，作者利用EELS和在线电子全息技术，辅以DFT计算，研究了电荷在畴壁迁移过程中的分布。通过在线全息测量获得了横跨畴壁的显式电荷平衡，这允许直接检测高分辨率和精度的电荷分布，得到的电荷分布随畴壁从上到下界面运动的演化过程。
作者从EDX光谱测量中获得的SRO-BFO-SRO原子结构，在具有几个单元单元的薄BFO层的对称端部SRO-BFO-SRO结构中，畴壁被广泛观察到是原子平坦的，没有成核步骤。然而，随着BFO厚度的增加，氧空位筛选变得不均匀，从而增加了获得具有成核特征的畴壁的概率。畴壁开始曲折，最终在20晶胞厚的BFO薄膜中形成电荷中性的面外壁。因此，铁电极化开关机制从平行于外加电场的逐层运动转变为垂直于外加电场的常规铁电畴生长。基于这些观察结果，铁电膜面内畴壁稳定和实现分层极化切换的必要条件是铁电层的对称界面、原子尺度上的面内均匀性和足够小的铁电层厚度。
Liu, Z., Wang, H., Li, M. et al. In-plane charged domain walls with memristive behaviour in a ferroelectric film. Nature (2023).DOI: 10.1038/s41586-022-05503-5https://doi.org/10.1038/s41586-022-05503-5
