鈣鈦礦氧化物低維體系的光、電多場(chǎng)調(diào)控是未來(lái)新一代多功能器件的基礎(chǔ)。鐵電材料在室溫下可以存在兩種穩(wěn)定的極化狀態(tài)。由于外加電場(chǎng)對(duì)極化狀態(tài)的改變操作方便，操作區(qū)域�。{米尺度），能耗低，利用鐵電材料做成的鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（FeRAMs）在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域被寄予厚望。然而，現(xiàn)有的 FeRAMs 所用的破壞性信息讀取方式（利用外加脈沖電壓，測(cè)量極化反轉(zhuǎn)電流從而讀取極化信息）大大制約了FeRAMs的發(fā)展。磁存儲(chǔ)器可以非破壞性地讀出表面磁場(chǎng)的變化從而讀取信息，而鐵電表面電信號(hào)卻不能用來(lái)讀取信息，主要的發(fā)展瓶頸是由于屏蔽電荷擴(kuò)散導(dǎo)致的不同極化區(qū)域表面電勢(shì)差會(huì)隨著時(shí)間逐漸減小。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)光物理實(shí)驗(yàn)室金奎娟和楊國(guó)楨小組，長(zhǎng)期從事激光與多鐵性氧化物薄膜相互作用的研究，首次通過(guò)激光場(chǎng)的引入，使得鐵電薄膜不同極化區(qū)域表面電勢(shì)差獲得極大的增強(qiáng)和恢復(fù)，在光場(chǎng)調(diào)控下的鐵電薄膜非破壞性讀取方面取得了新進(jìn)展。王樂(lè)和顧俊星等同學(xué)利用激光分子束外延設(shè)備成功制備了室溫下具有優(yōu)良鐵電極化性質(zhì)的外延多鐵性BiFeO3（BFO）薄膜，和物理所谷林研究員合作利用先進(jìn)的高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM)，萬(wàn)騫同學(xué)等在上海同步輻射光源獲得X射線衍射譜，證明這些薄膜具有良好的類菱方（rhombohedral-like）相的外延性。 他們結(jié)合壓電響應(yīng)力顯微鏡（piezoresponse force microscopy）和開爾文探針力顯微鏡技術(shù)，觀測(cè)到與鐵電極化狀態(tài)對(duì)應(yīng)的表面電勢(shì)差分布信號(hào)。外加電場(chǎng)寫入的不同極化區(qū)域，表面的電勢(shì)差信號(hào)隨著時(shí)間逐漸減弱，直至14小時(shí)后幾乎無(wú)法分辨不同極化區(qū)域表面電勢(shì)的差別。通過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)，引入一束能量大于BiFeO3禁帶寬度的激光（375nm），重新分布光生載流子，使探測(cè)到的不同極化區(qū)域表面電勢(shì)差瞬間得以恢復(fù)，從而可以再次通過(guò)清晰的表面電勢(shì)信號(hào)分辨出不同的極化區(qū)域，成功地實(shí)現(xiàn)了借助激光的對(duì)鐵電極化信號(hào)的非破壞性讀取。何旭和馬超等同學(xué)還通過(guò)自洽計(jì)算的方法，構(gòu)建了光照前后表面電勢(shì)變化的理論模型，揭示了極化電場(chǎng)下光生電荷的運(yùn)動(dòng)和重新分布導(dǎo)致不同極化區(qū)域表面勢(shì)得以瞬間恢復(fù)的內(nèi)在機(jī)制。該工作得益于美國(guó)路易斯安娜大學(xué)張堅(jiān)地教授的諸多有益探討和具體合作，該研究結(jié)果發(fā)表在Scientific Reports 4, 6980 (2014)上。
相關(guān)工作得到了國(guó)家重大研究計(jì)劃（2014CB921000，2012CB921403）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11134012，11174355）以及中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)課題(No. XDB07030200)的支持。
(a)和（b）分別為18 nm 以及50 nm 厚BiFeO3表面電勢(shì)分布圖。黑線、虛線、藍(lán)線分別代表：剛寫入電疇、15小時(shí)后，以及照光時(shí)三個(gè)狀態(tài)下的表面電勢(shì)分布。（c）和（d）分別是不同極化區(qū)域表面電勢(shì)差隨著時(shí)間和光照功率的變化。實(shí)線為利用指數(shù)函數(shù)擬合的變化曲線。
(a)為50 nm 薄膜上極化的面外PFM相位圖。(b)-(d)為無(wú)光照和光照時(shí)的樣品表面電勢(shì)分布。(e)為(b)-(d)中表面電勢(shì)數(shù)值分布。(f)為電勢(shì)差隨時(shí)間的變化。“on”和“off”分別代表照光和不照光的狀態(tài)。實(shí)線為利用指數(shù)函數(shù)的擬合曲線。
(a)-(c)分別為材料內(nèi)部，初始態(tài)、向下極化、向上極化狀態(tài)下的能帶示意圖。(d)為理論模擬中屏蔽電荷密度分布圖。(e)為計(jì)算得到的不同狀態(tài)下電勢(shì)分布。(f)為計(jì)算得到的電勢(shì)變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖。
