鐵電材料由于具有鐵電、介電、壓電、熱釋電等豐富的物理性能，被廣泛應(yīng)用于非易失性鐵電存儲(chǔ)器、電容器、制動(dòng)器、熱釋電探測(cè)器等電子器件中。為滿足電子器件小型化的發(fā)展需求，鐵電體需要以低維薄膜的形式集成到電子器件中。但是，隨著薄膜厚度的減小，在異質(zhì)界面去極化場(chǎng)的作用下，鐵電極化會(huì)顯著降低甚至消失，如何保持甚至增強(qiáng)超薄鐵電體的極化是該領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)面臨的基礎(chǔ)性科學(xué)難題。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部的界面結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于材料基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的電子顯微學(xué)研究，經(jīng)過(guò)多年的學(xué)術(shù)積累，他們?cè)诮鉀Q上述科學(xué)難題方面近來(lái)取得重要進(jìn)展。馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和劉穎博士等人提出充分利用異質(zhì)界面兩側(cè)不同的自由度，構(gòu)筑在界面處同時(shí)具有化學(xué)價(jià)態(tài)不連續(xù)與鐵電極化不連續(xù)的PbTiO3/BiFeO3異質(zhì)薄膜體系。利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)，發(fā)現(xiàn)在具有頭對(duì)尾極化特征的界面附近，鐵電PbTiO3中存在約~8%的面外晶格拉長(zhǎng)現(xiàn)象，并伴隨104%，107%以及39%的Ti，O1和O2離子位移（ Ti， O1， O2）增加。這意味著相比塊體材料，薄膜PbTiO3在PbTiO3/BiFeO3異質(zhì)界面處有高達(dá)70%的極化增強(qiáng)。同時(shí)，BiFeO3中的極化也比塊體值顯著增強(qiáng)。基于電子能量損失譜、X射線光電子譜以及第一性原理計(jì)算，他們提出異質(zhì)界面極化巨大增強(qiáng)的電荷傳遞新機(jī)制并證實(shí)在上述構(gòu)筑理念下極化巨大增強(qiáng)現(xiàn)象的普遍性。該研究結(jié)果不僅為探索新型鐵電界面效應(yīng)提供了新途徑，也為破解鐵電超薄薄膜極化降低的科學(xué)難題提供了嶄新的思路，對(duì)納米鐵電器件的發(fā)展具有重要意義。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目以及科技部973計(jì)劃等資助。相關(guān)成果于5月31日在Nano Letters上在線發(fā)表（DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00788）。
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圖1、BiFeO3/PbTiO3薄膜界面處的晶格參數(shù)，應(yīng)變和離子位移分析。在BiFeO3/PbTiO3界面附近，不僅面外晶格參數(shù)（c）顯著拉長(zhǎng)，Ti和Fe沿面外方向的離子位移（ Ti， Fe）也顯著增大，預(yù)示界面附近PbTiO3中鐵電極化顯著增大。
圖2、（a-e）ABF-STEM像進(jìn)一步驗(yàn)證BiFeO3/PbTiO3界面極化提高。（f-j）PbTiO3層厚度不同時(shí)（2、3、6、17單胞），BiFeO3/PbTiO3界面處都存在面外晶格顯著拉長(zhǎng)現(xiàn)象，預(yù)示PbTiO3厚度減小到2單胞時(shí)，極化仍顯著增強(qiáng)。
圖3、BiFeO3/PbTiO3界面的電子能量損失譜(a-c)和X射線光電子譜(d-e)分析表明，在BiFeO3/PbTiO3界面處存在氧空位聚集以及Fe3+向Fe2+的轉(zhuǎn)化。
