准同型相界处 BiFeO$_3$ 薄膜的静电与应变协同调控

多铁性 BiFeO$_3$（BFO）具有丰富的相图，使其薄膜形式下的性质可通过应变进行调控。特别是在大压缩应变下，具有巨极化的超四方（T）相相比于更常见的菱方（R）结构被稳定下来。为了在器件应用中利用此类亚稳态 BFO 相的功能性，理解其在纳米级异质结构嵌入过程中的铁电相演化至关重要。在此，我们利用原位光学二次谐波生成，探究了压缩应变 BFO 在薄膜生长过程中靠近准同型相界处铁电相的出现。我们发现外延薄膜在生长温度下以理想 T 相形成，且极化无临界厚度。T 样和 R 样的单斜畸变相特征仅在样品冷却时出现。我们进一步展示了在电容器状金属|铁电|金属异质结构生长过程中，高温 T 相中单畴极化的鲁棒性。在此，T 相四方性的降低而非畴的形成降低了静电能量。在此较低四方性下，密度泛函计算与扫描透射电子显微镜指出，在将异质结构冷却至室温时，一种新的亚稳态 R 样单斜结构被稳定。因此，我们的结果表明，BFO 异质结构中应变与静电相稳定的结合，为探索铁电相和实现超薄铁电器件提供了一个重要平台。