文 | 大可天汉

编辑 | 大可天汉

引言

SrTiO作为一种典型的过渡金属氧化物，在凝聚态物理和材料科学领域，具有广泛的应用，它的结构由SrO和TiO2层交替排列而成，形成一个三维结构域网络。

过去的研究表明，施加电场可以显著影响SrTiO的性质，包括电导率、储存器件的可编程性等，近年来，科学家们开始关注脉冲电场对SrTiO晶体内，结构域的动态再分布效应。

SrTiO3的相变和外部扰动

近几十年来，SrTiO3作为钙钛矿结构的一种重要代表，引起了广泛的研究兴趣，作为超导材料的基底，SrTiO3的结构与高温超导态有关，然而，对这种化合物在低温相变中的基本性质，以及其对机械应力，或电场等外部扰动的响应还了解不完全。

已经确定了两个相互竞争的阶次参数，它们决定了SrTiO3的相位行为，这两个参数与柔和的声子模式有关，在约105K的冷却过程中，立方相的边界模式发生凝结，导致上部四方结构的出现。

相应的反铁扭曲跃迁，导致形成了三个不同的双域，其细长的四边形轴沿x、y或z方向，这种四边形失真，被用来描述这种转变的阶次参数，已知，应用单轴应力可以控制域的分布，而具有垂直于应力方向对称轴的域是有利的。

不同于同类钡化合物SrTiO3，即使在最低温度下，它也不会变成铁电相，尽管如此，布里渊区中心的极性声子模式，在冷却时会软化，通过同位素替代、施加机械应力或电场诱导，铁电相可以在约40K以下出现，这可以用自发极化作为阶次参数来描述。

最近的研究发现外加电场不仅有利于极相的形成，而且还可以改变四方相的畴结构，这一结果令人惊讶，因为电场和四方有序参数，具有不同的对称性，因此，得出结论，高阶相互作用是导致这种效应的原因。

由于TiO顶部的氧离子具有垂直于电场的对称轴，纵向四方域在能量上更受青睐，此外八面体离子的垂直位移也受到磁场的影响，以上是对该领域的简要说明，以便更容易理解，此外，结果表明，在低温下场感应铁电相的极化垂直于四方轴，导致斜方对称。

域结构也由偏振拉曼光谱反射，可以证明，描述不同构型中模态强度的拉曼张量，从一个四方域到另一个四方域不同，电场的应用，导致拉曼光谱的强烈特征变化，在最近的研究中，研究人员已经详细研究了钙钛矿体系统，和薄膜中双畴壁的性质。

即使在顺电相的温度范围内，畴边界也可能是铁极化的来源，此外硬孪生边界和易双边界被区分，其特征在于域壁两侧相邻八面体旋转轴的相对方向，最近研究人员发现，SrTiO3的域结构实际上通过外加电场对沉积。

在该钙钛矿基板上，锰矿层的磁性行为产生强烈影响，这意味着该层的性质，与基底材料的性质息息相关，而这种关系尚未完全被了解，为了获得关于不同阶次参数之间相互作用的更多信息，研究人员进行了与畴壁运动相关的电场后域结构实时变化研究。

他们使用时间分辨中子散射技术进行了动力学实验，并确定了脉冲电场作用期间域分布的时间演变。通过这种方法，他们可以观察到域结构如何随着时间的推移发生变化。

SrTiO3的域结构和外部应力

通过观察一系列超晶格反射，可以确定冷却SrTiO单晶时，形成四方结构域的体积分数小于105K的转变温度。目前，中子散射实验是使用加兴海因茨-迈尔莱布尼茨中心的三轴光谱仪PUMA，和格勒诺布尔劳埃-朗格万研究所的四圆衍射仪D10进行的。

这两种仪器都配备了欧拉支架，可以在三维空间中获得布拉格反射，具体来说，对于型和型单个超晶格反射的积分强度，是通过摇摆扫描得到的，样品是从商业SrTiO中切割而来，由MaTecK GmbH和水晶有限公司提供，并且为了避免形成额外的位错，避免了抛光样品表面。

透明和无色试样的典型尺寸约为4×6×8 mm³分别测量，镶嵌度是使用来自Ir-316源的192 keV辐射，通过高分辨率γ射线衍射确定的，并且低于0.03°，在第一个方向上，采用银漆将电极施加到样品表面。

将样品安装在单轴压力池中，以允许沿垂直于电场的第二个方向同时施加应力，该设备安装在封闭循环低温恒温器中，具有优于0.1 K的长期稳定性，施加单轴应力时，使用高压发生器与半导体开关结合使用，由函数发生器触发，产生脉冲电场。

这种设置允许应用频率高达1 kHz的几kV的几乎矩形的高压脉冲，数据采集使用频闪技术，光谱仪记录每个单独位置，在每个周期电场100个等宽时间通道内的散射强度，例如，对于500 Hz周期，将2毫秒的周期划分为每个20微秒的时间通道。

并且强度累积超过1万个周期以获得足够的计数统计数据，为了节省光束时间，这些实验仅在各自布拉格峰的中心进行。

通过在不同动力学运行之间采取摇摆曲线，验证峰的位置和宽度是否保持不变，因此，相信峰值强度，可以作为反映域分布的积分，布拉格强度的有效测量。

域分布

域分数可以从型超晶格反射中确定，其中H和L为奇数，只有沿h方向具有对称轴的域，才会影响这些反射的强度。

从型反射中可以得到x域、y域和z域的体积分数，如果将样品冷却到转变温度以下，而没有任何外部影响，每个单独样品都会表现出特定的域分布。

这可能是由于记忆效应以及晶体生长，或样品制备过程中，产生的内部应变所导致的，因此，可以确定考虑每个样品的静态域分布。

在大多数情况下，z域略微占优势，施加的脉冲场为2 kVcm，频率为4 Hz，温度为500 K，在垂直于场的不同应力下进行。

可以清楚地看到，在场启动期间，强度几乎瞬间增加，上升场在约20微秒内，当磁场关闭时，应力偏置确保快速恢复到初始状态。

只有在较低的应力下，响应才会有轻微的延迟，此外，强度水平随应力而降低，这意味着沿方向的应力对z域的贡献不大。

由于已知沿z域的电场会将z域转换为x域和y域，如果应力足够大，它会减弱其影响，这可以从强度变化幅度变小，这一事实中得出结论，可以从超晶格反射的时间演变，计算出所有域的体积分数和时间演变。

在没有任何外部负载的情况下，该样品的初始域分布为φx= 21.1%，φy= 36.2%，和φz= 42.7%。在没有电场的情况下，当施加60 MPa的静态条件时，z域的比例增加到约1%，当施加80 MPa时，增加到10%。

实验误差在时间分辨数据的分散性上反映出来，估计约为3-4%。当施加4 kVcm的电场时，在低应力下几乎可以将所有域转换为x域或y域，但在施加5或10 MPa的应力下，效果要差得多。

仔细检查下图后发现，在电场扰动下，晶体几乎立即做出反应，但不会达到平衡状态。在竞争性应力的干扰下，只有约20-40%的z域会在大约100微秒内被电场转换，并且还有一部分在更长时间内稳定下来。

研究人员看出，在比毫秒级别更长的时间尺度上，还存在另一种松弛机制，导致强度逐渐增加，并相应地减少z域，这表明，存在着具有不同迁移率的域壁，来控制动力学行为。

域再分布的短时间行为可以用指数函数来描述，在场关闭期间，如果应力偏差较低，则可以确定大约1微秒的弛豫时间，在较高的应力水平下，由于机械负载的驱动力增强，域分布会立即跟随电场的衰减。

如果磁场被打开，当应力较大时，畴壁的移动部分会有大约十微秒的松弛时间，如果去除竞争性的单轴应力，则场感应域动力学将会有很大改变，研究人员比较了在0 MPa和8 MPa下，受到15 kVcm脉冲电场影响的开关行为。

在15 MPa时，应力和电场都足够强，可以在约75微秒内诱导域重新分布，达到约40-100%之间的平衡值，即与电场同步，然而，如果去除应力，8 kVcm的电场强度，足以立即抑制几乎所有的z域。

在场关闭期间，由于恢复力在没有竞争性应力的情况下显著降低，反向转变的延迟增加了几个数量级，因此，只有极少数的z域会立即恢复，而其他10%的重新分布，需要大约100秒的时间。

这种行为与向场感应铁电相的转变有关，在铁电材料中，畴的极性会在外加电场的作用，下发生改变，然而，一旦移除电场，铁电畴的极性会保持不变，导致畴结构被冻结，这可以通过改变电场的振幅来验证，在没有外部扰动的情况下，使用了具有较大z结构畴优势的样品。

当施加一个20 K和2 kVcm的较低振幅电场时，只有约20%的z畴能够可逆地转变，而在4 kVcm的中等振幅下，材料变为铁电相，大部分z畴转变为x畴和y畴，然而，由于铁电相的滞后特性，反向转变受到阻碍，即使在电场关闭期间，只有40%的z畴能够恢复。

此外畴反转的动力学行为，会有一定的时间延迟τ上=μs和τ关闭=μs，在零磁场下，这个材料保持着一种特殊的结构，叫做域结构，但是，当温度升高到约40 K以上时，超过90%的"z域"的原始特性被重新建立。

这个发现表明在所谓的相干顺电相中，有一种由极簇组成的区域结构，这些极簇代表着剩余的铁电纳米域，并且具有斜方对称性，和垂直于结构域的四方轴的极化，其中第一个表示一种特定的方向。

由于场感应极化是沿着一条线的，所以只有在"x域"和"y域"方向上可以出现铁电性质，显然，当剩余的磁性极化在40 K附近被破坏，并且域分布不再受静电相互作用的影响时，就会发生明确的顺电过渡。

如果沿着方向施加竞争性的外部应力，那么就不会看到温度突然变化，研究人员还展示了不同温度下的域动力学，这时施加了8 kVcm的电场和15 MPa的机械应力，可以明显看出，电场对于单轴应力的竞争效应，会随着温度上升而逐渐减弱，与静态实验的结果一致。

在20 K时，z域的比例从75%减少到40%，但在10 K时，重新分布只限制在65%以下，65%的z域不受影响，由于机械应力的强烈影响，只有总体积的60%会在20 K时，转变为x域和y域，只有这些区域在足够强的电场下，才会变成铁电区域。

考虑到存在两种类型的硬孪生边界和易孪生边界，重新分布很可能从低能区域边界的位移开始，这些区域边界移动相当迅速，即使在进入铁电相时也会有快速的变化，因此，长时间的松弛过程，与硬性区域边界的位移有关。

因此滞后效应不太重要，温度的变化不会像在没有任何偏置应力的情况下，观察到的那样出现异常，在下图中，可以看到随着时间的变化，指数函数描述了具有弛豫时间的过程，在场外休息期间，关闭时间小于在现场期间的上升时间。

值得注意的是，在20K时，τ上和τ关闭相等，然而，随着温度升高，τ关闭显著降低，在10K时降至65微秒，这种行为是由于在低温下介电常数，和样品容量的增加所致，这也影响了电子电路的RC时间常数。

因此域再分布随着外加电场逐渐减小而发生，与此同时，τ上几乎不受温度影响，且明显大于65K时的充电时间，在受到15 kVcm电场和8 MPa机械应力的作用下，晶体的响应不足以立即发生。

这不仅反映在有限的结构域转变上，还表现在增加的约30毫秒的固有弛豫时间上。

结语

脉冲电场下SrTiO中结构域再分布是一个引人注目的研究课题，它揭示了电场对过渡金属氧化物中结构域行为的强大影响。

实验和理论研究表明，在特定的电场作用下，结构域会发生动态再分布，这一现象具有重要的科学意义和应用潜力，未来的研究将进一步深入探索其机理，并在材料科学和电子器件设计中发挥重要作用。

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