▲第一作者：Donald M. Evans，Theodor S. Holstad, Aleksander B. Mosberg, Didrik R. Sm?br?ten.
通訊作者：Donald M. Evans，Dennis Meier
通訊單位：挪威科技大學(xué)
DOI：10.1038/s41563-020-0765-x
利用復(fù)雜氧化物中的量子效應(yīng)，例如磁性，多鐵性和超導(dǎo)電性，需要對材料的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行原子級控制；氧化物材料中電導(dǎo)率連續(xù)的變化可以實現(xiàn)一些創(chuàng)新技術(shù)，例如多層次數(shù)據(jù)的存儲芯片和用于神經(jīng)形態(tài)計算的突觸設(shè)備。而基于人工氧化物的多構(gòu)型器件的電導(dǎo)率連續(xù)的變化，受到氧化還原反應(yīng)和重構(gòu)域（domain reconfigurations）的驅(qū)動，這兩者需要離子長程遷移以及化學(xué)計量比或結(jié)構(gòu)改變。盡管復(fù)雜氧化物中的量子效應(yīng)和電導(dǎo)率連續(xù)的變化概念都具有巨大的技術(shù)潛力，但由于兩者互斥的要求，使得它們組合應(yīng)用起來非常困難！1. 本文作者通過使用導(dǎo)電原子力顯微鏡（cAFM, conductive atomic force microscopy）產(chǎn)生電中性間隙-空位對的反弗蘭克爾缺陷（anti-Frenkel defects），控制功能氧化物Er(Mn,Ti)O3的導(dǎo)電性去克服兩者互斥的限制。2. 這些電中性間隙-空位對的反弗蘭克爾缺陷以納米級精度生成，并在不干擾鐵電有序性的情況下局部提高電子跳躍的電導(dǎo)率。3. 本文使用密度泛函理論從理論上解釋了電中性間隙-空位對的反弗蘭克爾缺陷的非易失性效應(yīng)，并討論了其普遍性，為功能性氧化物和下一代多功能器件納米技術(shù)開發(fā)提出了另一種選擇。▲圖1. h-Er(Mn,Ti)O3中的局域電導(dǎo)控制
要點：圖1.a壓電響應(yīng)力顯微鏡（面內(nèi)對比）圖像顯示了鐵電疇的特征分布。 箭頭指示極化方向（暗：-P，亮：+ P）；圖1.b cAFM掃描顯示類似于圖a中–P和+ P區(qū)域?qū)щ姳尘拜^弱的導(dǎo)電納米環(huán)（明亮）；圖1.c在將導(dǎo)電電流寫入P平面外的樣品后，立即在導(dǎo)電條上讀取正交化電流，并在24個月后再次讀取；圖1.d平均電流的測量。這些數(shù)據(jù)表明，局部電場可以將h-Er(Mn,Ti)O3的電導(dǎo)率提高多達(dá)四個數(shù)量級。這些變化是持久的，耐中等溫度和化學(xué)溶劑的，并且可以在納米級的空間精度進(jìn)行感應(yīng)。▲圖2. 電場感應(yīng)導(dǎo)電特征的形態(tài)和結(jié)構(gòu)
要點：通過這些常規(guī)的掃描電鏡（SEM）和cAFM顯微鏡圖像，分析Er原子的排列時，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)Er原子的位移或單位晶胞尺寸的變化在統(tǒng)計學(xué)上沒有顯著差異，這表明增強(qiáng)電導(dǎo)率的驅(qū)動機(jī)制是由于與Er原子的本地電子結(jié)構(gòu)有關(guān)的微觀作用所致。此外，文獻(xiàn)表明h-Er(Mn,Ti)O3的不正確極化是由Er原子位移引起的，因而鐵電有序性的方向和大小不受電場引起的電導(dǎo)率增加的影響。▲圖3. 生長區(qū)（as-grown）和電改性區(qū)的電子結(jié)構(gòu)比較
要點：這些電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和圖像分析表明反弗蘭克爾缺陷和連續(xù)電導(dǎo)率變化是共存的，即正電荷（Vo’’）和負(fù)電荷（Oi’’）兩者是共存的；揭示了在更長的電場暴露下，帶反弗蘭克爾缺陷的正負(fù)電荷的分離。 ▲圖4. 反弗蘭克爾缺陷和其材料的電子結(jié)構(gòu)
要點：在120原子的超胞中形成反弗倫克爾缺陷示意圖：平面晶格上的氧（黃色）從其晶格位點遷移到另一個平面氧晶格位點（灰色），后者又被微移到間隙位點，這導(dǎo)致了反弗倫克爾缺陷的形成。通過電子結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析顯示，與反弗倫克爾缺陷相關(guān)的電子-空穴對可能會重新結(jié)合，并產(chǎn)生反弗倫克爾缺陷的電補(bǔ)償態(tài)。 但是，后者的能量消耗很高，因此將創(chuàng)建新的電荷載流子來代替缺失的電子-空穴對并使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。
