金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室固體原子像研究部馬秀良研究員、朱銀蓮研究員及博士生張思瑞等人近日在超薄鐵電薄膜中發(fā)現(xiàn)強極化的可持續(xù)性現(xiàn)象。
超薄鐵電體在超級電容器等微納電子領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。早在上世紀70年代人們就認識到鐵電薄膜中存在著一個臨界尺寸，當薄膜厚度小于這個臨界尺寸時，退極化場的存在使得鐵電薄膜的極化降低或者消失。如何維持并進一步增強一定厚度范圍內(nèi)超薄鐵電體的極化是該領(lǐng)域長期以來面臨的基礎(chǔ)性科學難題。
中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室固體原子像研究部的界面結(jié)構(gòu)研究團隊長期致力于材料基礎(chǔ)科學問題的電子顯微學研究，經(jīng)過多年的學術(shù)積累，他們在解決上述科學難題方面近來取得重要進展。馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和博士生張思瑞等人提出充分利用異質(zhì)界面兩側(cè)不同的自由度，并且利用電極能夠屏蔽退極化場的存在等原理，構(gòu)筑了PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3鐵電電極界面體系。利用具有亞埃尺度分辨能力的像差校正透射電子顯微術(shù)，發(fā)現(xiàn)不同厚度的PbTiO3超薄薄膜自界面至表面均存在著面外晶格常數(shù)增強的現(xiàn)象，更進一步發(fā)現(xiàn)，對于1.2nm 厚的PbTiO3薄膜，其極化強度增大到50 C cm?2，隨著薄膜厚度逐漸增加，極化也隨之增大；當薄膜厚度大于等于10nm 時，極化強度可達到100 C cm?2，遠超出塊體極化值。基于X射線光電子譜分析，提出異質(zhì)界面極化巨大增強的電荷傳遞機制。該研究結(jié)果不僅解決了10納米以下厚度范圍超薄鐵電體極化可維持性的難題，也為探索新型鐵電界面效應提供了嶄新思路，對發(fā)展超薄納米鐵電器件具有重要意義。
該項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目以及科技部973計劃等資助。相關(guān)成果于10月25日在Advanced Materials上在線發(fā)表（DOI: 10.1002/adma.201703543）。
圖1、3.6nm PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面處的晶格參數(shù)和應變分析。顯示出PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面處面外晶格常數(shù)（g）以及四方性（h）顯著增加。
圖2、不同厚度（1.2nm, 2nm, 6nm, 10nm, 15nm）PbTiO3薄膜的晶格常數(shù)（a、b）以及四方性（c）變化，PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3界面處都存在面外晶格顯著拉長現(xiàn)象，四方性（d）以及（e）隨著厚度的變化顯示出當薄膜厚度為1.2nm時極化強度為50 C cm?2。
