金屬所鐵電薄膜異質(zhì)界面及疇組態(tài)研究取得系列進展

　　中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室固體原子像研究部研究員馬秀良、朱銀蓮，博士劉穎、博士生李爽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)性能方面獲得系列新進展。

　　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。

　　在異質(zhì)界面方面，該研究小組通過精心設(shè)計的薄膜體系，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個單胞，存在原子重建，而且界面兩側(cè)極化顯著增強。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探討了不同界面的形成機制。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，研究人員在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)研究中取得重要進展。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)進行了深入分析。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)、超薄電容器等上的應(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。基于此，他們期望相似的現(xiàn)象可能會出現(xiàn)在PbTiO3/電極體系。實驗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，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，交替的ac疇出現(xiàn)。

　　該項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，美國物理聯(lián)合會（AIP）出版集團在每周的新聞發(fā)布會上作為重要科研進展加以推介。

　　該項工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目及面上項目、中科院前沿科學(xué)重點研究項目及科技部“973”項目的支持。

極化頭對頭以及尾對尾異質(zhì)界面的原子尺度HAADF-STEM像

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)。

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。

(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。