科研快報 | 理學院物理系陳朗團隊在合成二維鐵電金屬方面取得研究進展

2021-02-08 南方科技大學理學院

近日，南方科技大學理學院物理系教授陳朗團隊在合成二維「鐵電金屬」方面取得重要進展，相關成果以「Electric Polarization Switching on an Atomically Thin Metallic Oxide」為題在Nano Letters發表。

自從Anderson和Blount提出鈣鈦礦「鐵電金屬」以來，人們在為弄清楚其物理機制和如何設計新的鐵電金屬方面做出了很大努力。LiOSO3是第一個被廣泛認同的極化金屬，它在低溫下能夠保持金屬性且在140K經歷類似於鐵電的結構相變，激發了許多科研工作者的研究興趣。事實上，本徵極化金屬非常稀有，到目前為止，也只有少數極化金屬被發現。而且，這些非中心對稱極化金屬的宏觀極化方向並不能被外部電場改變，從客觀上來說並不是真正的鐵電金屬。因此，在凝聚態和材料科學中尋找室溫鐵電金屬仍然是一個巨大的挑戰。

由於金屬中的淨電場可以被自由電子完全屏蔽，因此鐵電性與金屬性在體相中不能共存。然而，眾多研究表明低維材料具有許多與體相材料相悖的奇異特性和新穎的量子態。基於以上基礎，研究團隊提出通過施加一個強的極化場，以鐵電/單層氧化物金屬超晶格的形式人工合成鐵電金屬。這樣，原子層級氧化物導電層的對稱性可以被鄰近的極化場打破和操縱，從而形成二維「鐵電金屬」。

圖1 (SrRuO3)1/(BaTiO3)10 超晶格的結構特徵

該研究選取了BaTiO3(BTO)和鐵磁巡遊態金屬氧化物SrRuO3(SRO)，利用Laser-MBE製備SRO和BTO層組成的超晶格。其中SRO設計固定為1個單胞厚（~0.4 nm）。通過X射線衍射（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、透射電鏡（STEM）和同步輻射光源等對超晶格樣品進行結構表徵（圖1）。結果表明在SrTiO3基底上能獲得具有原子級平整度界面的 (SRO)1/(BTO)10高質量超晶格。

 

圖2 (SrRuO3)1/(BaTiO3)10 超晶格的電輸運及極化位移表徵

通過電學性能測量，研究團隊發現整個超晶格在225K以上表現為金屬態 ( 圖2a )。通過更進一步的論證，研究團隊還發現導電金屬態的形成主要來自強約束二維金屬RuO2平面。從圖2b的SHG偏振信號及圖2c原位TEM表徵可以看出，整個超晶格不僅在BTO上表現為向上的極化偏移，單原子層SRO也跟隨BTO具有相同方向的極化位移。這說明了SRO層具有極性位移和金屬傳導性並存的特性。

圖3 (SrRuO3)1/(BaTiO3)10 超晶格的極化翻轉特性

研究團隊進而通過PFM及原位STEM系統研究了超晶格在宏觀和微觀情形下的極化翻轉情況。由圖3可以看出，在室溫下，外加電場可以對SRO單原子層進行可逆地極化翻轉操作。

圖4 密度泛函理論預測超晶格的鐵電極化及金屬性

研究團隊利用強鐵電BTO層和原子層級金屬SRO層，成功獲得了可翻轉的「鐵電金屬」。實驗和理論結果均顯示，電導僅來源於SRO原子層。SRO的極化在相鄰的BTO作用下穩定存在，並在電場作用下可以發生翻轉，顯示出二維鐵電金屬的性能。

該研究成果不僅為二維極化金屬體系提供了一個新的平臺，而且為研究具有鐵電、鐵磁和金屬性等不相容物理性質共存的新型量子多態體系開闢了一條新的途徑。同時也對電荷、軌道、自旋和晶格等相互競爭的序參量實現集成耦合，未來多態多鐵存儲器、傳感器、新型自旋電子學和納米電子學的多功能氧化物器件的實現奠定了基礎。

南科大物理系研究副教授葉茂和研究助理教授胡松柏為本文共同第一作者，陳朗和南昌大學教授柯善明為文章的共同通訊作者。

南科大物理系講席教授何佳清、教授張文清、研究副教授謝琳、研究副教授張玉波；南科大材料科學與工程系副教授谷猛、研究助理教授祝遠民；南科大測試中心工程師胡思俠；中國科學技術大學教授羅震林；國防科技大學教授張東文；湘潭大學博士張園及紐約州立大學水牛城分校教授張培鴻在本工作的推進中給予大力支持。

該研究得到了國家自然科學基金, 深圳市科技創新基金, 廣東省自然科學基金, 廣東省引進創新研發團隊,和南方科技大學高水平建設項目等項目的資助。

陳朗課題組近年來還在功能氧化物領域獲得一系列研究成果：採用電化學技術調控了SrCoO2.5薄膜中的氧缺陷濃度實現金屬-絕緣體、鐵磁-反鐵磁以及透明-不透明之間的可逆調控及通過對Bi系氧化物的結構設計，實現了對材料物理性質調控。除此之外，與深圳大學副教授黃傳威等合作，在外延錳氧化物薄膜中氫化誘導出結構相變與調控電子特性及在薄膜PZT中發現一種新的四方比很大的相。陳朗團隊還與哈爾濱工業大學(深圳)教授陳祖煌等合作，在鐵電PbTiO3外延薄膜中觀察到「多米諾骨牌」式大面積鐵彈翻轉及綜述了近十年來鐵性薄膜和異質結拓撲結構的研究進展。同時還與University of Wisconsin-Madison的Paul G. Evans等合作，通過超快光學誘導晶格膨脹引起了壓應變BiFeO3的瞬態可逆相變。

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c03417

供稿：物理系

圖源：南方科技大學新聞網

排版：王珮

審核：藍海


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