金屬所鐵電超薄薄膜中強(qiáng)極化可持續(xù)性研究獲進(jìn)展

　　近日，中國科學(xué)院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研究員馬秀良、朱銀蓮等，在超薄鐵電薄膜中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)極化的可持續(xù)性現(xiàn)象。

　　超薄鐵電體在超級(jí)電容器等微納電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。早在上世紀(jì)70年代人們認(rèn)識(shí)到鐵電薄膜中存在著一個(gè)臨界尺寸，當(dāng)薄膜厚度小于這個(gè)臨界尺寸時(shí)，退極化場的存在使得鐵電薄膜的極化降低或消失。如何維持并進(jìn)一步增強(qiáng)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(xué)難題。

　　金屬所界面結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)致力于材料基礎(chǔ)科學(xué)問題的電子顯微學(xué)研究，經(jīng)過多年學(xué)術(shù)積累，研究人員在解決上述科學(xué)難題方面近來取得進(jìn)展。科研人員提出充分利用異質(zhì)界面兩側(cè)不同的自由度，并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(qiáng)的現(xiàn)象，更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，對(duì)于1.2nm厚的PbTiO3薄膜，其極化強(qiáng)度增大到50μC cm−2，隨著薄膜厚度逐漸增加，極化也隨之增大；當(dāng)薄膜厚度大于等于10nm時(shí)，極化強(qiáng)度可達(dá)到100μC cm−2，遠(yuǎn)超出塊體極化值?；赬射線光電子譜分析，提出異質(zhì)界面極化巨大增強(qiáng)的電荷傳遞機(jī)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(yīng)提供了嶄新思路，對(duì)發(fā)展超薄納米鐵電器件具有重要意義。

　　研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目以及國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）等的資助。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Advanced Materials上。

　　論文鏈接 

　　圖1、3.6nm PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面處的晶格參數(shù)和應(yīng)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(dāng)薄膜厚度為1.2nm時(shí)極化強(qiáng)度為50μC cm−2。