浙江大學Advanced Materials: 靜電力驅動的氧化物異質外延與界面調控

【引言】

鈣鈦礦氧化物及其異質結具有多層次的物理及化學性質，如鐵電性、鐵磁性以及超導性等，這已經成為當今凝聚態物理和材料科學領域的熱點課題之一。其中,鈣鈦礦鐵電氧化物因其獨特的鐵電極化性能和極化屏蔽性能，這已被廣泛地研究及應用。然而，鐵電氧化物極化表面對異質結生長的調控作用以及界面微結構、性能的關聯尚不清楚。因此,基于鐵電極化設計并構建鈣鈦礦氧化物的異質結、系統研究異質結的生長與調控、界面屏蔽機制及其功能性，這將為新型光電、磁性、催化、傳感等方面的拓展應用提供重要的理論支持。

【成果簡介】

近日，浙江大學韓高榮教授、任召輝副教授課題組與張澤院士、田鶴研究員課題組通力合作，設計并發展了一種以鐵電極化表面靜電力來驅動氧化物外延生長，從而制備高質量鐵電氧化物異質結的新方法。研究人員設計在PTO鐵電表面外延生長不同組分、結構以及應變的氧化物(Ti0₂/PTO、STO/PTO以及BFO/PTO)，利用水熱法成功制備出具有原子級平整界面的氧化物異質結,外延生長均發生在單疇PTO的正極化面上。這說明了鐵電極化調控外延生長的這種方法是具有較好的普適性，其生長的界面與傳統方法如PLD、MBE等所得界面基本無差別。相關的研究成果以題為“Electrostatic Force-Driven Oxide Heteroepitaxy for Interface Control”發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1：設計不同的氧化物異質結界面

(a-c):TiO₂/PTO,STO/PTO以及BFO/PTO異質結結構的側視圖；

(d-g):異質結匹配模型中PTO、 Ti0₂、STO以及BFO外延生長晶面的俯視圖。

圖2：原子分辨切片橫截面的HAADF-STEM圖

(a-c):TiO₂/PTO，STO/PTO以及BFO/PTO異質結，每張圖中的黑色箭頭指向其異質結界面原子層；

(d-f):垂直于每個異質結HAADF-STEM圖界面的強度線。

圖3：納米片正極化面處原子級分辨的HAADF-STEM圖及位移大小變化

(a-c):分別為TiO₂/PTO、STO/PTO和BFO/PTO納米片正極化面處原子級分辨的HAADF-STEM圖；

(d-f):分別對應于TiO₂/PTO、STO/PTO和BFO/PT原子位移大小變化。

圖4：STO/PTO界面電子能量損失譜及STO/PTO異質結生長模型

(a):STO/PTO異質結的原子級別的HAADF-STEM圖像；

(b):STO/PTO異質結界面電子能量損失譜圖；

(c):STO/PTO異質結構生長模型的示意圖，淺藍色虛線箭頭表示電子的轉移方向，其中步驟2中的灰色箭頭表示去極化場E_DEP。

【小結】

本論文以鈣鈦礦鐵電氧化物及其異質結的生長、微結構及性能表征為核心，提出了通過鐵電極化表面靜電力驅動外延異質結生長的方法，開展了鈣鈦礦鐵電氧化物的微結構、鐵電極化、極化屏蔽與性能之間的關聯性的研究。以單晶PTO納米片為基體系統研究了鐵電極化表面靜電力對于TiO₂晶體生長的影響，并闡明了生長機制。并將此方法應用到STO/PTO以及BFO/PTO體系中。這一發現將對鐵電氧化物異質結的設計與制備起到重要的指導意義。任召輝副教授為該論文第一作者，韓高榮教授、田鶴研究員為論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、973項目、青年千人項目、“111計劃”和硅材料國家重點實驗室的大力支持！

【文獻鏈接】 Electrostatic Force–Driven Oxide Heteroepitaxy for Interface Control（Advanced Materials，2018；DOI: 10.1002/adma.201707017）

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