Electric-Field-Induced Domain Walls in Wurtzite Ferroelectrics

铁电性 凝聚态物理 纤锌矿晶体结构 材料科学 悬空债券 电场 多铁性 工程物理 纳米技术 光电子学 物理 电介质 量子力学 冶金
作者
Ding Wang,Danhao Wang,Mahlet Molla,Yujie Liu,Samuel Yang,Mingtao Hu,Jiangnan Liu,Yuanpeng Wu,Tao Ma,Emmanouil Kioupakis,Zetian Mi
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
被引量:2
标识
DOI:10.48550/arxiv.2312.08645
摘要

Wurtzite ferroelectrics possess transformative potential for next-generation microelectronics. A comprehensive understanding of their ferroelectric properties and domain energetics is crucial for tailoring their ferroelectric characteristics and exploiting their functional properties in practical devices. Despite burgeoning interest, the exact configurations, and electronic structures of the domain walls in wurtzite ferroelectrics remain elusive. In this work, we elucidate the atomic configurations and electronic properties of electric-field-induced domain walls in ferroelectric ScGaN. By combining transmission electron microscopy and theoretical calculations, a novel charged domain wall with a buckled two-dimensional hexagonal phase is revealed. The dangling bonds associated with these domain walls give rise to unprecedented metallic-like mid-gap states within the forbidden band. Quantitative analysis further unveils a universal charge-compensation mechanism stabilizing antipolar domain walls in ferroelectric materials, wherein the polarization discontinuity at the 180° domain wall is compensated by the dangling bond electrons. Furthermore, the reconfigurable conductivity of these domain walls is experimentally demonstrated, showcasing their potential for ultra-scaled device applications. Our findings represent a pivotal advancement in understanding the structural and electronic properties of wurtzite ferroelectric domain walls and lay the groundwork for fundamental physics studies and device applications.
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