2021-01-30 | 科研部 南科大陈朗团队在合成二维铁电金属方面取得研究进展

近日，南方科技大学物理系教授陈朗团队在合成二维“铁电金属”方面取得重要进展，相关成果以“Electric Polarization Switching on an Atomically Thin Metallic Oxide”为题在Nano Letters发表。

自从Anderson和Blount提出钙钛矿“铁电金属”以来，人们在为弄清楚其物理机制和如何设计新的铁电金属方面做出了很大努力。LiOSO₃是第一个被广泛认同的极化金属，它在低温下能够保持金属性且在140K经历类似于铁电的结构相变，激发了许多科研工作者的研究兴趣。事实上，本征极化金属非常稀有，到目前为止，也只有少数极化金属被发现。而且，这些非中心对称极化金属的宏观极化方向并不能被外部电场改变，从客观上来说并不是真正的铁电金属。因此，在凝聚态和材料科学中寻找室温铁电金属仍然是一个巨大的挑战。

由于金属中的净电场可以被自由电子完全屏蔽，因此铁电性与金属性在体相中不能共存。然而，众多研究表明低维材料具有许多与体相材料相悖的奇异特性和新颖的量子态。基于以上基础，研究团队提出通过施加一个强的极化场，以铁电/单层氧化物金属超晶格的形式人工合成铁电金属。这样，原子层级氧化物导电层的对称性可以被邻近的极化场打破和操纵，从而形成二维“铁电金属”。

图1 (SrRuO₃)₁/(BaTiO₃)₁₀ 超晶格的结构特征

该研究选取了BaTiO3(BTO)和铁磁巡游态金属氧化物SrRuO3(SRO)，利用Laser-MBE制备SRO和BTO层组成的超晶格。其中SRO设计固定为1个单胞厚（~0.4 nm）。通过X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、透射电镜（STEM）和同步辐射光源等对超晶格样品进行结构表征（图1）。结果表明在SrTiO3基底上能获得具有原子级平整度界面的 (SRO)1/(BTO)10高质量超晶格。

图2 (SrRuO₃)₁/(BaTiO₃)₁₀ 超晶格的电输运及极化位移表征

通过电学性能测量，研究团队发现整个超晶格在225K以上表现为金属态 ( 图2a )。通过更进一步的论证，研究团队还发现导电金属态的形成主要来自强约束二维金属RuO₂平面。从图2b的SHG偏振信号及图2c原位TEM表征可以看出，整个超晶格不仅在BTO上表现为向上的极化偏移，单原子层SRO也跟随BTO具有相同方向的极化位移。这说明了SRO层具有极性位移和金属传导性并存的特性。

图3 (SrRuO₃)₁/(BaTiO₃)₁₀ 超晶格的极化翻转特性

研究团队进而通过PFM及原位STEM系统研究了超晶格在宏观和微观情形下的极化翻转情况。由图3可以看出，在室温下，外加电场可以对SRO单原子层进行可逆地极化翻转操作。

图4 密度泛函理论预测超晶格的铁电极化及金属性

研究团队利用强铁电BTO层和原子层级金属SRO层，成功获得了可翻转的“铁电金属”。实验和理论结果均显示，电导仅来源于SRO原子层。SRO的极化在相邻的BTO作用下稳定存在，并在电场作用下可以发生翻转，显示出二维铁电金属的性能。

该研究成果不仅为二维极化金属体系提供了一个新的平台，而且为研究具有铁电、铁磁和金属性等不相容物理性质共存的新型量子多态体系开辟了一条新的途径。同时也对电荷、轨道、自旋和晶格等相互竞争的序参量实现集成耦合，未来多态多铁存储器、传感器、新型自旋电子学和纳米电子学的多功能氧化物器件的实现奠定了基础。

南科大物理系研究副教授叶茂和研究助理教授胡松柏为本文共同第一作者，陈朗和南昌大学教授柯善明为文章的共同通讯作者。

南科大物理系讲席教授何佳清、教授张文清、研究副教授谢琳、研究副教授张玉波；南科大材料科学与工程系副教授谷猛、研究助理教授祝远民；南科大测试中心工程师胡思侠；中国科学技术大学教授罗震林；某高校教授张东文；湘潭大学博士张园及纽约州立大学水牛城分校教授张培鸿在本工作的推进中给予大力支持。

该研究得到了国家自然科学基金, 深圳市科技创新基金, 广东省自然科学基金, 广东省引进创新研发团队,和南方科技大学高水平建设项目等项目的资助。

陈朗课题组近年来还在功能氧化物领域获得一系列研究成果：采用电化学技术调控了SrCoO_2.5薄膜中的氧缺陷浓度实现金属-绝缘体、铁磁-反铁磁以及透明-不透明之间的可逆调控及通过对Bi系氧化物的结构设计，实现了对材料物理性质调控。除此之外，与深圳大学副教授黄传威等合作，在外延锰氧化物薄膜中氢化诱导出结构相变与调控电子特性及在薄膜PZT中发现一种新的四方比很大的相。陈朗团队还与哈尔滨工业大学(深圳)教授陈祖煌等合作，在铁电PbTiO₃外延薄膜中观察到“多米诺骨牌”式大面积铁弹翻转及综述了近十年来铁性薄膜和异质结拓扑结构的研究进展。同时还与University of Wisconsin-Madison的Paul G. Evans等合作，通过超快光学诱导晶格膨胀引起了压应变BiFeO₃的瞬态可逆相变。

论文链接：

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

供稿单位：物理系

通讯员：廖薮祺

编辑：程雯璟

主图制作：丘妍