近日，我校华南先进光电子研究院先进材料研究所高兴森教授课题组在铁电畴壁电流操控方面取得重要研究进展，其研究成果以《Manipulation of Conductive Domain Walls in Confined Ferroelectric Nanoislands》为题，在材料领域重要期刊《Advanced Functional Materials》(IF=15.621)上以封面论文形式发表(Front Cover),（DOI: 10.1002/adfm.201807276）。我校青年英才田国博士为论文第一作者，珠江学者高兴森教授为论文唯一通讯作者，长江学者刘俊明教授为合作作者，华南师范大学为第一单位(图1)。之后，课题组还在国际知名综合类期刊《National Science Review》 (IF=13.222)上在线发表了题为《Topological domain states and magnetoelectric properties in multiferroic nanostructures》的综述文章 (DOI:10.1093/nsr/nwz100)。田国博士为论文第一作者，高兴森教授为论文唯一通讯作者，英国华威克大学(Warwick) Marin Alexe教授为主要合作者，华南师范大学为第一单位。具体内容如下：
（1）铁电纳米岛的额畴壁电导态研究《Advanced Functional Materials》：近年来，铁电畴壁的新颖物理特性和“畴壁电子学”引起了一阵研究热潮。铁电畴壁是分隔相邻极化电畴的界面，可以看作一种二维拓扑缺陷。由于电极化在几个晶格宽度的畴壁处急剧变化，导致在畴壁处产生与块体显著不同的新性能，而这种超小的功能畴壁被视为新型电子器件的“砖块”，并催生出“畴壁电子学”的科学领域。尤其是铁电畴壁具导电性，形成可受外场调制产生和擦除，及非破坏性读取的导电通道，有望用于新一代纳米级的信息存储器件。而如何有效控制畴壁，以及如何构建高密度的畴壁器件结构是当前所面临的关键问题。
本工作则通过把导电畴壁囚禁于高密度度阵列的纳米岛中来实现畴壁的有效调控,并提出垂直架构的多态畴壁高密度存储器件的设想（图2）。通过纳米微球模板辅助刻蚀法制备出高质量外延的铁酸铋纳米点，并采用压电显微镜与导电原子力显微镜来观察畴壁。在纳米点阵列中可清晰地观察到不同类型的导电畴壁，包括头对头电荷型畴壁、锯齿形畴壁、以及71°头对尾中性畴壁。这些畴壁也表现出不同的电导特征，如头对头电荷型畴壁的导电性最高，探测电流高达nA量级，显示出金属型的准二维电子气特征，而中性畴壁的电导较小，电流约10pA量级，显示出热激发电导特征。这为进一步通过调控畴壁类型来调控纳米点的导电态提供了机会，如通过不同的扫描偏置电压可以对单个纳米岛的导电畴壁态进行调控，实现了四种不同的畴壁导电状态之间的切换。这些结果为建构超高密度多态畴壁存储器件开辟了新途径，如设计垂直架构的非易失性畴壁电导存储器。该工作经MaterialsViews报道(附MaterialsViews报道链接：https://www.materialsviewschina.com/2019/07/38131/)
（2）有关多铁性材料中的拓扑畴综述《National Science Review》：在当前电子技术微型化和高度集成化的趋势下，多铁性纳米材料的研究正逐渐成为一个重要主题。论文立足于“微观畴结构与新颖物性”，系统综述了多铁性纳米结构的最新研究进展，尤其是多铁性拓扑畴与介观新效应相关的研究成果，尺寸受限体系中的奇异极化拓扑畴（如涡旋畴、中心型畴和极化斯格明子等）及其相关的物理特性，如畴壁导电性等。文章还综述了多铁纳米异质结构中的磁电耦合特性，特别是畴结构对电场调控磁畴翻转行为的影响。
文章还展望了该领域未来的发展方向，提出了几点亟需解决的关键问题，包括铁电拓扑缺陷的形成机制、极化拓扑畴的稳定调控、以及电驱动磁性拓扑畴转动等，为多铁纳米器件的进一步发展和应用提供了重要的指导。此外，针对纳米尺度物理性能表征面临的挑战，还提出了基于多功能扫描探针显微镜(SPM)的多场联合调控平台。如图3所示，将多场刺激如电场、磁场、光照、应变、热场等都与先进的SPM技术相结合，在纳米尺度上实时监测畴结构及其相关的功能响应，包括畴壁电导率、磁阻、光伏和磁电响应等。本文相信，这些策略将为多铁纳米结构开拓更广阔的发展空间，并对未来多铁材料走向应用提供一些借鉴。
华南师范大学珠江学者高兴森教授课题组长期围绕多铁性纳米结构及其在信息存储期间应用开展研究，近年来在Science Advances、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际权威学术期刊发表一系列高水平论文。
作者/通讯员:高兴森 | 来源:华南先进光电子研究院 | 编辑:杨柳青
