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金屬所在鐵電異質(zhì)界面發(fā)現(xiàn)極化巨大增強(qiáng)現(xiàn)象

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金屬所在鐵電異質(zhì)界面發(fā)現(xiàn)極化巨大增強(qiáng)現(xiàn)象

摘要: 　　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器、電容器、制動(dòng)器、熱釋電探測器等電子器件中。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 ...

　　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器、電容器、制動(dòng)器、熱釋電探測器等電子器件中。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)域長期以來面臨的基礎(chǔ)性科學(xué)難題。
　　中國科學(xué)院金屬學(xué)習(xí)所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像學(xué)習(xí)部的界面結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)長期致力于材料基礎(chǔ)科學(xué)問題的電子顯微學(xué)學(xué)習(xí)，經(jīng)過多年的學(xué)術(shù)積累，近來他們在解決上述科學(xué)難題方面取得新進(jìn)展。學(xué)習(xí)員馬秀良、朱銀蓮和博士劉穎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%的面外晶格拉長現(xiàn)象，并伴隨104%，107%以及39%的Ti，O1和O2離子位移（δTi，δO1，δO2）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。該學(xué)習(xí)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，對納米鐵電器件的發(fā)展具有重要意義。
　　該項(xiàng)學(xué)習(xí)得到了國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)學(xué)習(xí)項(xiàng)目以及科技部“973”計(jì)劃等資助。相關(guān)成果于5月31日在納米快報(bào)上在線發(fā)表（Nano Letters，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00788）。



　　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，Ti和Fe沿面外方向的離子位移（δTi，δFe）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。

金屬所在鐵電異質(zhì)界面發(fā)現(xiàn)極化巨大增強(qiáng)現(xiàn)象  |  責(zé)任編輯：蟲子
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