Acta Mater.：PMN-PT單晶中的圖案化納米疇

【引言】

張弛振蕩器單晶由于其接近磁性準同型相界（MPB）并具有出色的壓電和介電特性而被廣泛應用在電活性器件中。其由于增加了容許疇態，因此接近磁性準同型相界具有增強的壓電響應和極化效率的觀點被廣泛接受。此外，鐵電材料的壓電和介電性能與其疇壁特性高度相關。因此，鐵電材料的壓電性能可以通過疇工程技術進行調控。近年來，人們通常使用微圖案電極來進行疇工程。不均勻的電場會在電極化時產生于具有圖案化電極的晶體內部，這可以用來調控鐵電體的疇結構和壓電性質。人們已經利用金屬基電極對0.7?Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.3PbTiO₃ (PMN-PT)的介電和壓電特性進行了多年研究。最近，人們在鐵電張弛振蕩器上利用了包括導電層和半導體層的復合電極后，其被開發出了更好的壓電性能。其中，Mn的氧化物（MnO_x）是一種合適的半導體層材料。然而，Mn的氧化物（MnO_x）納米復合電極對PMN-PT單晶中疇形成機理的影響仍不清楚。

【成果簡介】

近日，來自北卡羅來納州立大學的江小寧（通訊作者）等人對PMN-PT單晶中的圖案化納米疇進行了詳細的研究，相關的研究成果以“Patterned nano-domains in PMN-PT single crystals”為題在線發表于2017年10月9日出版的Acta Materialia上。

本文中對具有納米復合電極（包括MnO_x半導體納米格柵和Ti/Au導電層）的0.7?Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.3PbTiO₃ (PMN-PT)單晶的疇結構、介電和壓電性能進行了研究。MnO_x半導體納米格柵可以改變電場分布然后增強疇密度。具有 Ti/Au-MnO_x納米復合電極的PMN-PT晶體展現出了高達2250 p.m./V的壓電常數，同時在1?kHz時，其介電常數為5400。與傳統具有平面電極的器件相比，具有納米復合電極的器件的壓電和介電常數分別增加了36.7%和38.3%。壓電響應力顯微鏡（PFM）圖片揭示了在接近電極/單晶界面處疇的形狀。此外，在厚度不足200?μm的樣品中發現了由MnO_x納米復合電極誘導而成的線性疇結構。飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS）的結果顯示，在MnO_x納米復合電極經過加熱處理后，Mn在PMN-PT晶體中300nm深度發生了擴散。這是由于納米復合電極引起的邊緣效應導致了局域的高電場，這增強了新疇的成核，并且源自于圖案化Mn層的擴散也使得疇壁的移動性得到了增強。

【圖文導讀】

圖1 器件結構示意圖及其SEM圖

（a）平行于[001]_C方向的MnO_x納米格柵

（b）PMN-PT單晶表面上的MnO_x納米格柵

（c）經過100nm金電極沉積后形成的MnO_x納米復合電極

圖2?MnO_x納米復合電極的邊緣效應模擬

圖3?MnO_x納米復合電極在有/無加熱處理后的ToF-SIMS圖

（a）無熱處理 ? ? ? ? ? ? ? ? （b）熱處理后

圖4 不同厚度具有傳統平面電極的PMN-PT的PFM疇圖

（a）厚度為30?μm的樣品 ? ? ? ? ? ? ? ?（b）厚度為200?μm的樣品

圖5?不同厚度具有MnO_x納米復合電極的PMN-PT的PFM疇圖

（a）600μm ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）200μm ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（c）30μm

（d）不同厚度樣品通過PFM觀察得到的新疇的成核示意圖

圖6?PMN-PT單晶厚度為50?μm時MnO_x納米復合電極的PFM疇圖

（a）掃描面積為20?×?20?μm²內沿原始格柵電極邊緣的疇

（b）和（c）的掃描面積分別為10?×?10和2?×?2?μm²

（d）（c）中橫截面的相圖

圖7 標準和反向電場誘導的鐵磁（P-E）滯后回線

（a）具有傳統平面電極的PMN-PT

（b）一面為納米復合電極，另一面為平面電極的 PMN-PT

圖8 壓電系數測量系統及結果

（a）壓電系數測量系統包括激光振動計系統、信號發生器、放大器和示波器

（b）具有MnO_x納米復合電極和傳統平面電極的PMN-PT在不同厚度下的壓電常數

【小結】

本文對具有納米復合電極的0.7?Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.3PbTiO₃ (PMN-PT)單晶的疇結構、介電和壓電性能進行了研究。并從理論上解釋了其具有增強的壓電和介電常數的原因。這項工作為具有可調控MnO_x納米復合電極的PMN-PT單晶增強的壓電特性提供了更好的理解。

文獻鏈接：Patterned nano-domains in PMN-PT single crystals（Acta ?Mater., 2017, DOI:10.1016/j.actamat.2017.10.016）

本文由材料人電子電工組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！