A phase-field simulation of easily switchable vortex structure for multilevel low-power ferroelectric memory

铁电性 涡流 材料科学 极化(电化学) 电场 凝聚态物理 相变 光电子学 物理 电介质 量子力学 机械 物理化学 化学
作者
Zhonglei Liu,Jinming Cao,Zhi Wang,Qiaoling Wang,Hua Hou,Yuhong Zhao
出处
期刊:Journal of materials research and technology [Elsevier BV]
卷期号:29: 5241-5251 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.jmrt.2024.02.197
摘要

Ferroelectric materials with multi-directional polarization orders can form a variety of special domain structures, which have a wide range of applications. In this work, lead-free potassium sodium niobate ferroelectric thin films were simulated by solving the Time-Dependent-Landau-Ginzburg (TDLG) equation. Based on vortex topological structure characteristic of perovskite-type ferroelectric, domain types are simplified from 26 to 9 through virtual polarization vectors. By temperature selection, we accomplished a large easily switchable vortex structure with 20% side length. Based on this, as low as 0.04V/nm electric-field pulse was applied to explore vortex domain structures change. Under different low external electric-field pulses, conductance states change in vortex have been calculated and discussed systematically. Free energy computation results reveal that the domain wall (DW) conductance states primarily originate from the competition between electrostatic energy, gradient energy, and elastic energy. Finally, we propose the multilevel data ferroelectric memory through easily switchable vortex topological structures for the first time. Under electric-field pulses, diverse storage states were presented through 0/1 measurement of 8 positions. By achieving an easy-to-distinguish and robust-to-switch data map at the vortex structure, this work might provide a significant idea of vortex structure on low-power ferroelectric memory applications.

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