铁电拓扑缺陷中的准一维金属性导电通道

铁电拓扑缺陷中的准一维金属性导电通道

奇异铁电拓扑缺陷(如涡旋、斯格明子态)蕴含着丰富多彩的物理现象和新功能，有望用于构筑未来拓扑电子学器件。本工作分别在BiFeO3纳米岛内形成的两种拓扑缺陷(涡旋型和中心型)中发现了可往复擦写的、具有准一维电子气特征的超细金属性导电通道，并提出了构筑基于导电拓扑缺陷的、非破坏性电导读出的随机存储器件方案。

有预测表明双稳态涡旋畴可在小至3 nm尺度稳定存在，有望实现每英寸60 Tb的存储密度，远高于硬盘或闪存的存储密度。当前，尽管这类拓扑缺陷的研究发展迅猛，但其潜在新奇物性及器件用途还鲜有报道，是待挖掘的富矿。 近日，华南师范大学高兴森教授课题组联合南京大学刘俊明教授、宾州州立大学陈龙庆教授和张洋博士，在铁电拓扑缺陷的导电性研究取得进展。他们分别在两种拓扑缺陷中发现了可受外场调控、并具有准一维电子气特征的导电通道。

图1：两种拓扑态(四象限涡旋型和中心汇聚型)的拓扑畴结构及其导电特性：

a, 用于探测BiFeO3纳米岛阵列上拓扑缺陷导电性的实验设置原理图，其中原子力形貌图被叠加上中心汇聚型拓扑畴阵列的电流分布的导电原子力(CAFM)测试图。

b, 四象限涡旋态和中心汇聚态的畴结构示意图以及对应的典型导电特性。其中涡旋中心(即涡旋核)以及中心汇聚型的缺陷中心均呈现出明显的导电增强，而外围畴壁则呈现出不同导电性。CDWs和NDWs分别表示构成这两种拓扑畴结构的带电畴壁和71°中性畴壁。 该工作主要利用压电和导电原子力显微镜，在BiFeO3(BFO)纳米岛中观测到在四象限涡旋型和中心汇聚型的拓扑缺陷中心，并证实其为高导电金属性通道 (见图1)。

图2. 涡旋型和中心型导电拓扑缺陷的擦写以及基于拓扑缺陷的随机存储器件构想：

a, 两种拓扑态的导电态调控(拓扑缺陷的擦写及翻转)；b, 拓扑态的擦写及翻转总结示意图；c, 基于可擦写拓扑缺陷的cross-bar 架构的随机存储器件构想；d,e, 基于两种拓扑态建构的概念器件工作性能测试：反复擦写(d)及稳定(e)特性。

由于拓扑保护特性，这种拓扑器件表现出很强的抗疲劳和抗温度干扰特性，可在室温中放置至少12天(我们实验测试的最长时间)或在150℃ 放7000秒(也是我们实验测试的最长时间)后其开关电阻比保持稳定。基于中心型缺陷的器件在擦写106循环后其电阻比依然保持85%以上。该成果也展示了这类高导电拓扑缺陷用于构筑新一代超高密度拓扑存储器件的可行性，并为探索这类新奇拓扑缺陷中潜在新奇物性及其拓扑电子学器件应用提供了一个实例。