The role of lattice dynamics in ferroelectric switching

铁电性 凝聚态物理 材料科学 格子(音乐) 相变 物理 极化(电化学)
作者
Qiwu Shi,Eric Parsonnet,Xiaoxing Cheng,Natalya S. Fedorova,Ren‐Ci Peng,Abel Fernández,Alexander Qualls,Xiaoxi Huang,Xue Chang,Hongrui Zhang,David Pesquera,Sujit Das,Dmitri E. Nikonov,Ian A. Young,Lei Chen,Lane W. Martin,Yen-Lin Huang,Jorgé Íñiguez,R. Ramesh
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:20
标识
DOI:10.1038/s41467-022-28622-z
摘要

Reducing the switching energy of ferroelectric thin films remains an important goal in the pursuit of ultralow-power ferroelectric memory and logic devices. Here, we elucidate the fundamental role of lattice dynamics in ferroelectric switching by studying both freestanding bismuth ferrite (BiFeO3) membranes and films clamped to a substrate. We observe a distinct evolution of the ferroelectric domain pattern, from striped, 71° ferroelastic domains (spacing of ~100 nm) in clamped BiFeO3 films, to large (10's of micrometers) 180° domains in freestanding films. By removing the constraints imposed by mechanical clamping from the substrate, we can realize a ~40% reduction of the switching voltage and a consequent ~60% improvement in the switching speed. Our findings highlight the importance of a dynamic clamping process occurring during switching, which impacts strain, ferroelectric, and ferrodistortive order parameters and plays a critical role in setting the energetics and dynamics of ferroelectric switching.
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