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，鐵電極化會顯著降低甚至消失，如何保持甚至增強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、朱銀蓮研究員和劉穎博士等人提出充分利用異質(zhì)界面兩側(cè)不同的自由度，構(gòu)筑在界面處同時具有化學價態(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（ Ti， O1， O2）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70%的極化增強。同時，BiFeO3中的極化也比塊體值顯著增強?；陔娮幽芰繐p失譜、X射線光電子譜以及第一性原理計算，他們提出異質(zhì)界面極化巨大增強的電荷傳遞新機制并證實在上述構(gòu)筑理念下極化巨大增強現(xiàn)象的普遍性。該研究結(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5月31日在Nano Letters上在線發(fā)表（DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00788）。
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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（ Ti， Fe）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像進一步驗證BiFeO3/PbTiO3界面極化提高。（f-j）PbTiO3層厚度不同時（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，極化仍顯著增強。
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。
