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奇异铁电拓扑缺陷(如涡旋、斯格明子态)蕴含着丰富多彩的物理现象和新功能,有望用于构筑未来拓扑电子学器件。本工作分别在BiFeO3纳米岛内形成的两种拓扑缺陷(涡旋型和中心型)中发现了可往复擦写的、具有准一维电子气特征的超细金属性导电通道,并提出了构筑基于导电拓扑缺陷的、非破坏性电导读出的随机存储器件方案。 


“拓扑”原是一个数学概念,指的是几何图形或空间在连续改变变形后保持不变的性质。这一概念被引入到凝聚态物理领域后,这些年留下了浓墨重彩的一笔,引起大量新物理现象和新拓扑材料体系的发现,也为未来拓扑电子学器件打开了大门。也因此,2016年诺贝尔物理学奖被授予了在该领域的3位开创者。

近十年来, 铁电材料中的新奇极化拓扑缺陷(即极化不连续变化的奇点位置)也成为研究焦点,这类拓扑缺陷可显著改变材料性能或带来全新物性,并且具有可受外场调控的独特优势,可以作为未来可编程拓扑电子学器件单元。人们在常见的二维拓扑缺陷(畴壁)中已发现了各种有趣的性能,如导电增强、磁电阻、磁性、磁电耦合,压电增强等。尤其是在电荷型畴壁中发现金属性高导电通道,可用于构筑电流读出的存储器件。然而,这类畴壁器件在存储密度和读写稳定性还存在很大问题。

近来,一些奇异的一维铁电拓扑缺陷,如涡旋、中心畴、斯格明子、麦韧等拓扑态相继被发现,引发了新一轮探索热潮。这些发现为进一步探索其中所蕴含的新奇低维物性创造了条件,并为开发更高密度的拓扑电子学器件提供了新途径。有预测表明双稳态涡旋畴可在小至3 nm尺度稳定存在,有望实现每英寸60 Tb的存储密度,远高于硬盘或闪存的存储密度。当前,尽管这类拓扑缺陷的研究发展迅猛,但其潜在新奇物性及器件用途还鲜有报道,是待挖掘的富矿。 

近日,华南师范大学高兴森教授课题组联合南京大学刘俊明教授、宾州州立大学陈龙庆教授和张洋博士,在铁电拓扑缺陷的导电性研究取得进展。他们分别在两种拓扑缺陷中发现了可受外场调控、并具有准一维电子气特征的导电通道。

图1:两种拓扑态(四象限涡旋型和中心汇聚型)的拓扑畴结构及其导电特性:a, 用于探测BiFeO3纳米岛阵列上拓扑缺陷导电性的实验设置原理图,其中原子力形貌图被叠加上中心汇聚型拓扑畴阵列的电流分布的导电原子力(CAFM)测试图。b, 四象限涡旋态和中心汇聚态的畴结构示意图以及对应的典型导电特性。其中涡旋中心(即涡旋核)以及中心汇聚型的缺陷中心均呈现出明显的导电增强,而外围畴壁则呈现出不同导电性。CDWs和NDWs分别表示构成这两种拓扑畴结构的带电畴壁和71°中性畴壁。 

该工作主要利用压电和导电原子力显微镜,在BiFeO3(BFO)纳米岛中观测到在四象限涡旋型和中心汇聚型的拓扑缺陷中心,并证实其为高导电金属性通道 (见图1)。通过相场模拟,我们进一步揭示了电荷型的中心汇聚拓扑中心之电导主要由缺陷处汇聚的屏蔽载流子引起,而中性涡旋中心的导电则源于外场诱导产生的类中心汇聚型极化扭曲态。模拟还揭示,这两种金属性导电通道的直径都小于3 nm、类似一维电子气通道。更有趣的是,通过施加电压,可以往复写入或擦除这类导电通道、并伴随着高低电阻态的切换,其开关电阻比超过三个量级 (见图2)。

图2. 涡旋型和中心型导电拓扑缺陷的擦写以及基于拓扑缺陷的随机存储器件构想:a, 两种拓扑态的导电态调控(拓扑缺陷的擦写及翻转);b, 拓扑态的擦写及翻转总结示意图;c, 基于可擦写拓扑缺陷的cross-bar 架构的随机存储器件构想;d,e, 基于两种拓扑态建构的概念器件工作性能测试:反复擦写(d)及稳定(e)特性。

由于拓扑保护特性,这种拓扑器件表现出很强的抗疲劳和抗温度干扰特性,可在室温中放置至少12天(我们实验测试的最长时间)或在150℃ 放7000秒(也是我们实验测试的最长时间)后其开关电阻比保持稳定。基于中心型缺陷的器件在擦写106循环后其电阻比依然保持85%以上。该成果也展示了这类高导电拓扑缺陷用于构筑新一代超高密度拓扑存储器件的可行性,并为探索这类新奇拓扑缺陷中潜在新奇物性及其拓扑电子学器件应用提供了一个实例。

该研究成果以“Quasi-one-dimensional metallic conduction channels in exotic ferroelectric topological defects”为题,发表在Nature Communications (Doi: 10.1038/s41467-021-21521-9) 上。华南师范大学高兴森教授为该论文的通讯作者、博士生杨文达和青年英才学者田国博士为共同第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省科技厅、广州市科委的项目支持。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21521-9


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