四川大學材料科學與工程學院施奇武副教授與美國加州大學伯克利分校R. Ramesh教授課題組、賓州州立大學L. Q. Chen教授課題組等合作，在Nature Communications期刊發表題為“The role of lattice dynamics in ferroelectric switching”的研究論文。該工作通過實驗與理論計算結合，較基礎性的闡明了外延襯底clamping束縛對鐵電（多鐵）薄膜極化開關特性的影響機制，提出了大幅降低BFO鐵電極化開關電壓的新途徑。施奇武副教授為論文第一作者和共同通訊作者。
BiFeO3（BFO）是已知的唯一具有室溫磁電耦合的單相資料，且具有較大的鐵電極化，可在室溫實現電寫磁讀，是用於研發後摩爾時代低能耗、高讀寫速度、高密度資訊存儲以及自旋電子器件等的理想資料。降低BFO薄膜的鐵電極化開關電壓是其進一步實現超低能耗電子器件的關鍵。現有研究通過减小薄膜尺寸、化學摻雜、外延調控等，可以將BFO的極化開關電壓降低至200 mV左右，但尚無法突破該極限。
該研究基於脈衝雷射沉積系統設計製備BFO/鍶釕氧（SRO）/鑭鍶錳氧（LSMO）/鈦酸鍶（STO）高品質外延薄膜，將LSMO層刻蝕掉後，通過lift-off工藝將薄膜從STO襯底剝離、實現freestanding狀態，隨後轉移至Pt/Si襯底（圖1）；在此過程中，BFO仍保持良好外延特徵，但是發生輕微晶格畸變，c值减小、a值增大，表現出無襯底束縛後的relaxed特性。結合PFM測試和相場類比發現，去除襯底束縛後，BFO中發生鐵彈疇消失和鐵電疇長大（圖2a、b），可以由此减小BFO鐵電極化翻轉過程中疇長大遇到的阻力。進一步通過超快鐵電極化特性測試分析，證實freestanding可以大幅降低BFO的鐵電極化開關電壓約40%（圖2c、d），並可提高極化開關速度約60%（圖2e、f）。研究成果為進一步實現超低功耗鐵電（多鐵）器件提供了普適性的試驗和理論依據。
圖1 BFO外延薄膜的HR-TEM結構（a），無襯底束縛（b）及襯底束縛（c）狀態示意圖
圖2 BFO外延薄膜從襯底lift-off前（a）、後（b）的PFM圖；不同厚度BFO薄膜從襯底lift-off前後的極化强度-電壓（P-V）圖：（c）60nm厚度、（d）30nm厚度；（e-f）不同厚度薄膜lift-off前後的極化開關速度變化情况
該研究得到“四川大學優秀青年教師國際名校、名師訪學”項目、四川大學雙百人才計畫（B類）的支持。
文章連結：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28622-z