我校材料科学与工程学院施奇武副教授与美国加州大学伯克利分校R. Ramesh教授课题组、宾州州立大学L. Q. Chen教授课题组等合作，在Nature Communications期刊发表题为“The role of lattice dynamics in ferroelectric switching”的研究论文。该工作通过实验与理论计算结合，较基础性的阐明了外延衬底clamping束缚对铁电（多铁）薄膜极化开关特性的影响机制，提出了大幅降低BFO铁电极化开关电压的新途径。施奇武副教授为论文第一作者和共同通讯作者。

BiFeO3(BFO)是已知的唯一具有室温磁电耦合的单相材料，且具有较大的铁电极化，可在室温实现电写磁读，是用于研发后摩尔时代低能耗、高读写速度、高密度信息存储以及自旋电子器件等的理想材料。降低BFO薄膜的铁电极化开关电压是其进一步实现超低能耗电子器件的关键。现有研究通过减小薄膜尺寸、化学掺杂、外延调控等，可以将BFO的极化开关电压降低至200 mV左右，但尚无法突破该极限。

该研究基于脉冲激光沉积系统设计制备BFO/锶钌氧（SRO）/镧锶锰氧（LSMO）/钛酸锶（STO）高质量外延薄膜，将LSMO层刻蚀掉后，通过lift-off工艺将薄膜从STO衬底剥离、实现freestanding状态，随后转移至Pt/Si衬底（图1）；在此过程中，BFO仍保持良好外延特征，但是发生轻微晶格畸变，c值减小、a值增大，表现出无衬底束缚后的relaxed特性。结合PFM测试和相场模拟发现，去除衬底束缚后，BFO中发生铁弹畴消失和铁电畴长大（图2a、b），可以由此减小BFO铁电极化翻转过程中畴长大遇到的阻力。进一步通过超快铁电极化特性测试分析，证实freestanding可以大幅降低BFO的铁电极化开关电压约40%（图2c、d），并可提高极化开关速度约60%（图2e、f）。研究成果为进一步实现超低功耗铁电（多铁）器件提供了普适性的试验和理论依据。

图1 BFO外延薄膜的HR-TEM结构（a），无衬底束缚（b）及衬底束缚（c）状态示意图

图2 BFO外延薄膜从衬底lift-off前(a)、后(b)的PFM图；不同厚度BFO薄膜从衬底lift-off前后的极化强度-电压（P-V）图：(c)60nm厚度、(d)30nm厚度；(e-f)不同厚度薄膜lift-off前后的极化开关速度变化情况

该研究得到“四川大学优秀青年教师国际名校、名师访学”项目、四川大学双百人才计划（B类）的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28622-z