顺电薄膜中的强极化场
材料科学
2021-09-10 v2
摘要
众所周知，铁电体中与自发极化相关的表面电荷会产生一个退极化场，该场在微电子器件所期望的薄膜几何结构中可能特别有害。表面电荷的不完全屏蔽，例如通过金属电极或表面吸附物，可能导致畴的形成、极化的抑制或重新取向，甚至稳定一个能量更高的非极性相。大量的研发工作已投入到理解退极化行为并最小化其不利影响上。在此，我们展示了相反的行为：一种强极化场，它驱动那些在块体形式下为中心对称且顺电的材料薄膜进入非中心对称的极性态。我们使用密度泛函计算，以钙钛矿结构的钽酸钾KTaO为例说明了这一行为，该材料因其高介电常数、接近量子临界点以及超导性而备受关注。随后，我们提供了一个简单的方法来识别特定材料和薄膜取向是否会表现出这种效应，并开发了一个静电模型，以根据众所周知的材料参数估算诱导极化的临界厚度。我们的结果为利用薄膜离子绝缘体的静电特性来设计纳米尺度器件的新功能提供了实用指南。
引用
@article{arxiv.2108.10207,
title = {A strong polarizing field in thin-film paraelectrics},
author = {Chiara Gattinoni and Nicola A. Spaldin},
journal= {arXiv preprint arXiv:2108.10207},
year = {2021}
}
备注
Version 2 is updated to include 3 appendices A) with DOSs for larger slabs, B) with more details of the derivations, and C) with the Matlab code for the model calculation. (Also fixed a couple of typos.)