金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部馬秀良研究員、朱銀蓮研究員、劉穎博士及李爽博士生近來在鐵電薄膜異質(zhì)界面和同質(zhì)界面的可控生長、調(diào)控以及微觀結(jié)構(gòu)性能方面獲得新進(jìn)展。
鐵電材料由于豐富的物理性能和在鐵電器件領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景得到研究人員的廣泛關(guān)注。由于電子器件小型化的需求，鐵電材料通常以薄膜的形式用于研究和應(yīng)用。隨著薄膜尺度的減小，界面問題變得愈加重要?！敖缑婕雌骷?，對氧化物而言同樣適用。對鐵電薄膜而言，功能界面包括同質(zhì)界面和異質(zhì)界面，前者是指同一鐵電材料中具有相同的成分和結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的界面，稱之為鐵電疇壁；后者是兩種不同材料構(gòu)成的界面。鐵電疇壁由于其新穎的導(dǎo)電性、光伏性等特性引起人們的廣泛興趣，后者由于異質(zhì)界面處晶格、軌道、電荷、自旋的交互作用產(chǎn)生奇特的物理性能而成為研究熱點(diǎn)。
在異質(zhì)界面方面，該研究小組通過精心設(shè)計(jì)的薄膜體系，利用原子尺度的脈沖激光生長技術(shù)，成功地制備了具有極化頭對頭帶正電和尾對尾帶負(fù)電特征的BiFeO3/PbTiO3異質(zhì)界面。
該研究發(fā)現(xiàn)頭對頭異質(zhì)界面寬度約5-6個(gè)單胞，存在原子重建，而且界面兩側(cè)極化顯著增強(qiáng)。原子尺度結(jié)構(gòu)和化學(xué)元素分析顯示重建的界面是富氧的，可以有效地補(bǔ)償頭對頭極化產(chǎn)生的正束縛電荷。與此不同，尾對尾異質(zhì)界面則是很好的外延生長，界面層約3-4個(gè)單胞，推測界面處存在氧空位來屏蔽負(fù)的束縛電荷。該研究工作通過電荷再分布的觀點(diǎn)探討了不同界面的形成機(jī)制。其中，關(guān)于異質(zhì)界面的可控生長以及原子尺度的研究可能促進(jìn)對其性能以及電子器件中應(yīng)用方面的探索。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces。
在同質(zhì)界面方面，BiFeO3薄膜中的拓?fù)滂F電疇、PbTiO3薄膜中拓?fù)溟]合疇以及a1/a2 疇結(jié)構(gòu)研究取得重要進(jìn)展。這些疇結(jié)構(gòu)是在鐵電薄膜中發(fā)現(xiàn)的微觀的拓?fù)洮F(xiàn)象，有明顯的電極化特性。
該研究小組利用襯底調(diào)控薄膜應(yīng)變的方法，分別在受到拉應(yīng)變的BiFeO3多鐵薄膜和PbTiO3鐵電薄膜中得到了奇特的疇結(jié)構(gòu)。在正交PrScO3(110)襯底上生長的BiFeO3多鐵薄膜中得到了周期性大規(guī)模四組態(tài)渦旋疇結(jié)構(gòu)；在正交GdScO3(110)襯底上生長不同厚度的PbTiO3鐵電薄膜中得到呈周期性分布的a1/a2 疇結(jié)構(gòu)，并利用像差校正透射電子顯微鏡對其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)做了深入分析。這些研究結(jié)果豐富了人們對鐵電薄膜中疇組態(tài)的認(rèn)識，并且提供了一種有效調(diào)控疇組態(tài)的方法，對鐵電薄膜中疇組態(tài)的可控制備以及相關(guān)的研究探索和潛在應(yīng)用提供了重要的信息。相關(guān)研究結(jié)果分別發(fā)表在Applied Physics Letters和Acta Materialia上。
閉合疇結(jié)構(gòu)由于在新的鐵電器件，例如數(shù)據(jù)存儲元件、自旋隧道結(jié)、超薄電容器等的應(yīng)用前景而得到廣泛關(guān)注。通常認(rèn)為氧化物電極會破壞閉合疇的穩(wěn)定性，然而，鐵電薄膜應(yīng)用于電子器件時(shí)與電極接觸是不可避免的。該研究小組之前研究結(jié)果表明閉合疇可穩(wěn)定存在于受拉的鐵電薄膜中，并且拉應(yīng)力對于其形成起關(guān)鍵性作用?；诖?，他們期望相似的現(xiàn)象可能會出現(xiàn)在PbTiO3/電極體系。實(shí)驗(yàn)中采用了兩種氧化物電極：一種是SrRuO3電極，另一種是La0.7Sr0.3MnO3電極。研究表明當(dāng)上下電極對稱時(shí)，周期性的閉合疇結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在于PbTiO3薄膜中，而當(dāng)電極不對稱時(shí)，交替的ac疇出現(xiàn)。
該項(xiàng)工作顛覆了之前人們認(rèn)為電極會阻礙閉合疇形成的認(rèn)識，對于深入理解閉合疇結(jié)構(gòu)的性質(zhì)提供了重要信息并且使得研究此結(jié)構(gòu)在外電場下的演化成為可能。相關(guān)研究結(jié)果以封面文章的形式發(fā)表在7月31日出版的Applied Physics Letters上，同時(shí)，美國物理聯(lián)合會（AIP）出版集團(tuán)在每周的新聞發(fā)布會上作為重要科研進(jìn)展加以推介。（AIP出版集團(tuán)每周會在旗下所有十幾種出版刊物幾百篇文章中選取3篇文章進(jìn)行重點(diǎn)推介）。相關(guān)報(bào)道可見下列鏈接。
該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目及面上項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目及科技部“973”項(xiàng)目的支持。
圖1：極化頭對頭以及尾對尾異質(zhì)界面的原子尺度HAADF-STEM像。
圖2：生長在正交PrScO3(110)襯底上的BiFeO3薄膜中周期性大規(guī)模四組態(tài)渦旋疇結(jié)構(gòu)。 (a) 平面樣品暗場像；(b, c) 四組態(tài)疇壁處極化矢量的可能分布狀態(tài)。
圖3: 正交GdScO3(110)襯底上沉積的(a) 22nm (b) 43nm (c) 54nm (d) 86nm厚的PbTiO3薄膜中a1/a2 疇的演變。
圖4：(a) 對稱氧化物電極夾持PbTiO3鐵電薄膜中的周期性閉合疇結(jié)構(gòu)；(b) 非對稱氧化物電極夾持PbTiO3鐵電薄膜中的交替的ac疇結(jié)構(gòu)。右圖：封面文章
