悉尼大學／臥龍崗大學陳子斌，廖曉舟，張樹君Science Advances：揭示鐵電材料的微觀尺寸效應

【引言】

隨著科技的快速發展，市場對于越來越多的微／納機電系統的需求日益劇增。鐵電材料作為一種重要的功能材料已經被廣泛地應用在日常的微／納機電系統中。然而，隨著材料的尺寸在電子器件中變得越來越小，材料尺寸對于性能的影響變得不可忽略?。近期研究發現，鐵電薄膜在納米尺度內仍然保存著一定的鐵電性能， 這是由于襯底對薄膜的強大夾持作用。然而，材料尺寸對于沒有襯底夾持的鐵電單晶在納米尺度內的鐵電性能的影響并沒有得到很好地研究。

【成果簡介】

近日，澳大利亞悉尼大學廖曉舟教授（共同通訊作者）課題組的陳子斌博士（第一作者及共同通訊作者），西安交通大學李飛教授（共同第一作者），和臥龍崗大學張樹君教授（共同通訊作者）等人在國際頂級期刊Science Advances期刊上發表了題為Giant Tuning of Ferroelectricity in Single Crystals by Thickness Engineering的論文。這項工作中，作者首次報道了鐵電性在納米尺度弛豫鐵電體材料中存在強烈的尺寸效應， 利用這種尺寸效應，鐵電體材料的鐵電性能能夠被很好地調控。文章作者結合原子分辨率掃描透射電子顯微鏡以及先進的原位表征技術對單晶鐵電材料Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-38%PbTiO3（PMN-38%PT）實時觀測電場作用下鐵電疇結構的演化，他們發現材料厚度存在一個納米級的臨界尺寸，跨過這一臨界尺寸，鐵電疇在電場作用下的翻轉模式呈現出根本性的轉變。薄樣品呈現巨大矯頑場和非常小的剩余極化場， 而厚樣品則展示非常小的矯頑場和異常巨大剩余極化場。實驗觀測及相場模擬計算顯示，存在于樣品表面約30個原子層厚的極化錯亂層對材料內層的極化施加了強烈的應力，導致了材料內部的鐵電疇難以在電場作用下翻轉，從而巨大地改變了材料的鐵電性能。這項研究為在微觀鐵電器件里控制鐵電材料性能開拓了一個重要的思路。

【圖文解析】

圖一. 原位透射電子顯微鏡技術的設置，不同材料尺度下鐵電疇在電場作用下的翻轉現象。（A）原位實驗裝置圖以及不同尺寸的樣品形貌。樣品1，2，3具有厚度分別為170nm， 50nm， 50nm。 圖中綠色，粉紅色，黃色以及褐色箭頭代表疇的極化方向（B）90度鐵彈疇的原子尺度掃描透射電鏡圖以及疇極化方向的判定。材料內部均為180度鐵電疇以及90度鐵彈疇。（C）鐵彈疇界的幾何相位分析。鐵彈疇內的應變在正負1%以內。（D）和（E）在170納米的樣品中，鐵電疇以跨越鐵電／鐵彈疇壁的片狀模式翻轉。（F）和（G）在50?納米的樣品中，鐵電疇沿著鐵電／鐵彈疇壁以線形模式翻轉。

圖二. 疇壁頂點對疇翻轉的影響。（A）和（B）在50納米的薄樣品中，如果存在疇壁的頂點，一旦疇的翻轉突破疇壁的頂點，整個疇的翻轉模式就會變為跨越疇界的片裝翻轉模式 （變為在厚樣品內的翻轉模式）。（C）-（E）鐵彈疇界頂部與內部的幾何相位分析。對比起鐵彈疇壁，鐵彈疇壁的頂點應變非常微弱，因此可以成為疇翻轉的突破口，從而改變疇的翻轉模式。

圖三. ?尺寸效應的機理。?（A）高分辨掃描透射電鏡高角環形暗場圖。圖中標出了一層大約30個原則層厚度的錯亂極化層。樣品表面的錯亂極化層倒置了樣品表面的極化方向發生極大的誘導作用。（B）高分辨掃描透射電鏡高角環形暗場圖顯示放大的錯亂極化層導致的晶格形變。錯亂極化層導致了嚴重的晶格形變，對樣品內部產生巨大的夾持作用。（C）錯亂極化層的幾何相位分析。由于晶格劇烈形變，這個區域的應變可以達到10%。（D）錯亂極化層對材料內部的夾持作用的示意圖。隨著材料越來越薄，表面的錯亂極化層對材料的夾持作用變得越來越明顯。從而導致了材料在不同厚度的翻轉模式發生改變。

圖四. 相場模擬。?（A）厚度不同樣品的鐵電翻轉模型。（B）厚樣品在沒有被表面夾持時，疇的翻轉呈現像實驗中的片狀翻轉模式。（C）薄樣品在被表面夾持時，疇的翻轉呈現在實驗中的沿疇壁方向的線形翻轉模式。

【小結】

綜上所述，作者利用原位電子顯微技術觀察了 鐵電疇在電場作用下的翻轉模式，結合材料的厚度，表明了鐵電材料存在的尺寸效應。不同的尺寸對于材料的性能有不同的調制作用。一個大約30個原子層厚的錯亂極化層導致了這種尺寸效應的出現。同時，相場模擬支撐了實驗的觀測以及背后的機理。總之，該工作為調控微電子電路的鐵電材料性能提供了新思路。

這項工作的合作者還包括悉尼大學黃芊蔚博士，Simon Ringer教授，上海師范大學劉飛， 王飛飛教授，上海硅酸鹽研究所羅豪甦教授，以及賓夕法尼亞大學陳龍慶教授 。

文獻鏈接：Z. Chen, F. Li, Q. Huang, F. Liu, F. Wang, S. P. Ringer, H. Luo, S. Zhang, L.-Q. Chen,?X. Liao, Giant tuning of ferroelectricity in single crystals by thickness engineering. Sci. Adv. 6,?eabc7156 (2020).?

DOI: 10.1126/sciadv.abc7156

本文由作者團隊供稿。