圖 4-17 反鐵磁平面變化與應力之關係
4-4 極化反轉導致相變化的產生
我們藉由許多方法驗證應變對於 BFO 物理性質的改變，那如果控制其物 理量能改變相嗎?這裡我們做了一個有趣的實驗。T 相與 R 相結構上來說最大 的不同就是 c 軸的大小，因受到極大的壓應力，鐵離子會朝氧的八面體中心 的上方或下方偏移，造成正負電荷中心的距離更遠，此時鐵與(001)某個氧的 距離越跑越遠，甚至不再配位，所以 OOP 的正負電荷偏離中心更大，而產生 更大的極化量。而鐵與平面上四個氧的位置對稱，沒有平行 IP 的極化分量，
此時鐵的配位數不再是六，而變成配位數五的四角錐(圖 4-19)。所以本實驗 就是利用 PFM 給予 local 的 R 相 BFO(~3μm)一個電場，將極化方向反轉，當 電場加到一定的值之後，看是否能從表面形貌或是 PFM 的訊號來判定 T 相是
否存在。
(a) (b)
圖 4-18[9] 理論計算出的配位情形(a)T 相，配位數=5 (b)R 相，配位數=6
(c) (b)
(a)
圖 4-19 BFO/LNO/NGO R-T switching 示意圖。(a)尚未加電場前，極化向下(b) 加負電場後，極化轉上(c)加更大的電場，變為極化方向朝上的 T 相
上圖為此實驗的流程，NGO(a=3.857Å)是目前能將 BFO 維持在 R 相的最小 晶格常數的基板，也就是高變形的 R 相，可能被反轉成 T 相。由於 LNO 是 N-type 的底電極，正電荷(鐵離子)會被往下吸引，故 BFO 八種可能的極化方向只剩 下四種朝下的可能性；此時外加一負偏壓，正電荷就會被往上吸引，又變成 四種朝上的極化方向；當負偏壓大到一程度後，鐵離子不再與下面的氧離子
鍵結，就變為 T 相了。
圖 4-20 當負偏壓加大後，表面形 貌、OOP、IP 的變化系列圖
先觀察上圖表面形貌的改變，中間加負偏壓的正方形區域，隨著
偏壓增大有變高的趨勢；再者，IP 一開始還有條紋狀的 domain wall 形貌，
而這些極化方向在 IP 的分量，隨著偏壓增大漸漸消失，也就是 R 相被反轉成 T 相的證據。
接下來我們將向上反轉後的 R 相及 T 相(圖 4-21)的方框內，施加一個正 偏壓，使得向上的極化往下轉，回到初始的 R 相，可以看到圖(b)中原本消失 的 IP 訊號，經過第二次翻轉後，最中心的方框內又出現了 IP 訊號，表示成 功的將 T(up)反轉成 R(down)，表示說外加電場引起的相變化是可逆的
(reversible)。
(a)
(b)
圖 4-21 R-T switching 為可逆反應
第五章 結論
由於薄膜-基板間的 misfit 應變會使得 BFO 的晶格受到擠壓，改變 c 軸 的大小，使得θ-2θ掃描中出現不同的 d 值，而在 LAO 上由於受到較大的壓 應力，d 值變化明顯較其他應力狀態來的大，而 NSO 則是唯一受到張應力的狀 態。由 RSM 分析其 in-plane 的關係後，發現 BFO 在 LAO 上為 Tetragonal 相，
在 NSO 上為 Orthorhombic 相。
PFM 及 K-edge 分析中，T 相的鐵離子因為在 in-plane 受到壓應力而上下 移動，使其偏離 c 軸某個氧離子，配體從八面體變為類似四角錐的型態，我 們知道 BFO 鐵電極化來自於中心鐵離子的偏移，因此極化方向也從<111>轉向
<001>；O 相的極化則轉至<110>方向，也就是說 T 相與 O 相分別只有 out-of-plane 與 in-plane 的極化量。
反鐵磁的分析則利用了 Fe2O3 L-edge 吸收能譜，因其在 263K 時會翻轉 90
°，使偏振光電場與對樣品磁矩平行及垂直進行量測，可純粹探討磁矩造成的 線性二向性，比較出 t2g/eg峰值的消長與磁矩方向的關係，讓我們得以解釋 BFO 的 L-edge 吸收能譜。由此推導出 T 相的磁矩會垂直[001]，O 相則會平行 [001]，總合以上分析，我們可把 T 相與 O 相的一些物理特性標示於下圖：
圖 4-22 T 相與 O 相內部 晶體排列與多鐵性質
最後我們用 BFO/LNO/NGO 的結構上外加電場反轉極化方向、改變鐵在晶 格中的相對位置，並且引發相變化，根據圖 4-22，相變化會引起磁矩方向改 變，這就說明了一件事---電場可以改變 BFO 的磁場方向。如果我們可以進一 步了解電場與相轉換的速率，就可以利用這種性質來做磁電元件，對於電子 元件的發展是很大的突破。
我們的實驗對於相與相之間轉換做了許多定性的分析，但一些定量的物 理性質還須仰賴理論計算的幫助。比如說反鐵磁究竟在不同相是 G-type、
A-type 或是 C-type，以及易軸是躺在反鐵磁平面的哪一個方向等等，需要做 更多的實驗反覆驗證才能完整了解。