金属所铁电超薄薄膜中强极化可持续性研究获进展

 

超薄铁电体在超级电容器等微纳电子领域有着广泛的应用前景。早在上世纪70年代人们认识到铁电薄膜中存在着一个临界尺寸，当薄膜厚度小于这个临界尺寸时，退极化场的存在使得铁电薄膜的极化降低或消失。如何维持并进一步增强一定厚度范围内超薄铁电体的极化是该领域长期以来面临的基础性科学难题。

 

金属所界面结构研究团队致力于材料基础科学问题的电子显微学研究，经过多年学术积累，研究人员在解决上述科学难题方面近来取得进展。科研人员提出充分利用异质界面两侧不同的自由度，并利用电极能够屏蔽退极化场的存在等原理，构筑了PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3铁电电极界面体系。利用具有亚埃尺度分辨能力的像差校正透射电子显微术，发现不同厚度的PbTiO3超薄薄膜自界面至表面均存在着面外晶格常数增强的现象，更进一步发现，对于1.2nm厚的PbTiO3薄膜，其极化强度增大到50μC cm−2，随着薄膜厚度逐渐增加，极化也随之增大；当薄膜厚度大于等于10nm时，极化强度可达到100μC cm−2，远超出块体极化值。基于X射线光电子谱分析，提出异质界面极化巨大增强的电荷传递机制。该研究结果不仅解决了10纳米以下厚度范围超薄铁电体极化可维持性的难题，也为探索新型铁电界面效应提供了崭新思路，对发展超薄纳米铁电器件具有重要意义。

 

研究工作得到了国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目以及国家重点基础研究发展计划（973计划）等的资助。相关研究成果在线发表在Advanced Materials上。

 

图1、3.6nm PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面处的晶格参数和应变分析。显示出PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面处面外晶格常数（g）以及四方性（h）显著增加。

 

图2、不同厚度（1.2nm, 2nm, 6nm, 10nm, 15nm）PbTiO3薄膜的晶格常数（a、b）以及四方性（c）变化，PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3界面处都存在面外晶格显著拉长现象，四方性（d）以及（e）随着厚度的变化显示出当薄膜厚度为1.2nm时极化强度为50μC cm−2。