物性物理学：強誘電体薄膜におけるメモリスター的挙動を示す面内帯電ドメイン壁

ドメイン壁ナノエレクトロニクスは、ドメインではなくドメイン壁が能動素子となる、不揮発性メモリーやロジック技術の新しいパラダイムであると考えられている。特に興味深いのは、強誘電体構造における帯電ドメイン壁であり、厚さがサブナノメートルで、さまざまなナノエレクトロニクス用途に有用な非自明な電子特性や輸送特性を示す。帯電ドメイン壁を決定論的に生成して操作できる能力は、電子デバイスにおいてそうした機能特性を実現するのに不可欠である。今回我々は、厚さ数ナノメートルのBiFeO₃強誘電体薄膜における、面内帯電ドメイン壁の制御可能な生成と操作のための戦略を報告する。走査型透過電子顕微鏡内でin situバイアス法を用いることで、印加電場と平行な方向に強誘電体ドメイン成長が生じる、これまでにない1層ごとのスイッチング機構が見いだされた。我々は、原子分解能電子エネルギー損失分光法、インライン電子ホログラフィーによるin situ電荷マッピング、理論計算に基づいて、帯電ドメイン壁に蓄積する酸素空孔が、ドメイン壁の安定性と運動に関与していることを示す。BiFeO₃膜内の面内ドメイン壁の位置を電圧制御すると、複数の不揮発性抵抗状態が生じることから、厚さ数単位胞のメモリスターとしての重要な機能特性が実証された。こうした結果から、強誘電体スイッチング挙動に関するより深い理解が促進され、単位胞スケールのデバイスを作製する新しい戦略が得られる。

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