南科大陈朗团队在合成二维铁电金属方面取得研究希望 ...

曹伶俐

原标题：南科大陈朗团队在合成二维铁电金属方面取得研究希望

克日，南边科技大学物理系传授陈朗团队在合成二维“铁电金属”方面取得紧张希望，相干结果以“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，人们在为弄清晰其物理机制和怎样计划新的铁电金属方面做出了很大积极。LiOSO3是第一个被广泛认同的极化金属，它在低温下可以或许保持金属性且在140K履历雷同于铁电的布局相变，引发了很多科研工作者的研究爱好。究竟上，本征极化金属非常有数，到现在为止，也只有少数极化金属被发现。而且，这些非中央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，在凝结态和质料科学中探求室温铁电金属仍旧是一个巨大的挑衅。

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，浩繁研究表明低维质料具有很多与体相质料相悖的奇特特性和新奇的量子态。基于以上底子，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情势人工合成铁电金属。如许，原子层级氧化物导电层的对称性可以被相近的极化场冲破和利用，从而形成二维“铁电金属”。

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图1 (SrRuO3)1/(BaTiO3)10 超晶格的布局特性

该研究选取了BaTiO3(BTO)和铁磁巡游态金属氧化物SrRuO3(SRO)，使用Laser-MBE制备SRO和BTO层构成的超晶格。此中SRO计划固定为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举行布局表征（图1）。效果表明在SrTiO3基底上能得到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

通过电学性能丈量，研究团队发现整个超晶格在225K以上体现为金属态 ( 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重要来自强束缚二维金属RuO2平面。从图2b的SHG偏振信号及图2c原位TEM表征可以看出，整个超晶格不但在BTO上体现为向上的极化偏移，单原子层SRO也跟随BTO具有雷同方向的极化位移。这说明白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体系研究了超晶格在宏观和微观情况下的极化翻转环境。由图3可以看出，在室温下，外加电场可以对SRO单原子层举行可逆地极化翻转操纵。

图4 密度泛函理论猜测超晶格的铁电极化及金属性

研究团队使用强铁电BTO层和原子层级金属SRO层，乐成得到了可翻转的“铁电金属”。实行和理论效果均表现，电导仅泉源于SRO原子层。SRO的极化在相邻的BTO作用下稳固存在，并在电场作用下可以发生翻转，表现出二维铁电金属的性能。

该研究结果不但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子共存的新型量子多态体系开发了一条新的途径。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，将来多态多铁存储器、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基了底子。

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

南科大物理系讲席传授何佳清、传授张文清、研究副传授谢琳、研究副传授张玉波；南科大质料科学与工程系副传授谷猛、研究助理传授祝远民；南科大测试中央工程师胡思侠；中国科学技能大学传授罗震林；国防科技大学传授张东文；湘潭大学博士张园及纽约州立大学水牛城分校传授张培鸿在本工作的推进中给予鼎力大举支持。

该研究得到了国家天然科学基金, 深圳市科技创新基金, 广东省天然科学基金, 广东省引进创新研发团队,和南边科技大学高程度建立项目等项目标资助。

陈朗课题组比年来还在功能氧化物范畴得到一系列研究结果：接纳电化学技能调控了SrCoO2.5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系氧化物的布局计划，实现了对质料物理性子调控。除此之外，与深圳大学副传授黄传威等互助，在外延锰氧化物薄膜中氢化诱导出布局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)传授陈祖煌等互助，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布局的研究希望。同时还与University of Wisconsin-Madison的Paul G. Evans等互助，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。

泉源：南边科技大学

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c03417返回搜狐，检察更多

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