北科大重磅Science：新進展！1納米層狀氧化鉍鐵電性！

不可說 5個月前 (03-24) 1024瀏覽

 

一、【導讀】

? ? ? ? ?超薄鐵電薄膜是制備微型大容量存儲器的核心材料。對超尺度器件的迫切需求促使人們逐步探索原子尺度鐵電薄膜。近幾十年來，已經證明一些傳統的鈣鈦礦氧化物系統，摻雜的HfOx鐵電系統和二維層狀鐵電系統可以在逐漸接近亞納米尺寸的同時，保持其宏觀鐵電特性，但這距離原子尺度還很遠。阻礙納米級鐵電薄膜繼續研究的首要問題是臨界尺寸效應，即厚度減小引起的巨大去極化場屏蔽了鐵電效應，導致鐵電相不穩定。例如，隨著厚度減小到幾十納米或幾納米，具有ABO3結構的鈣鈦礦鐵電薄膜失去鐵電性（其中A為稀土或堿土金屬，B為過渡金屬；例如，BaTiO3將從鐵電相轉變為順電相）。然而，最近的研究表明，在某些材料中可以抑制尺寸效應。據報道，許多厚度為納米或幾個晶胞的薄膜仍然具有鐵電性，例如三晶胞獨立式BiFeO3薄膜等。然而，這些工作中報道的超薄膜鐵電特性僅通過橫截面高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像、壓電響應力顯微鏡(PFM)、理論計算或隧道電阻滯后，而不是通過使用具有極化電場測量的宏觀鐵電磁滯回線，其可以直接識別鐵電性，是鐵電體在電子器件中應用的主要決定因素。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 原子級鐵電體對高密度電子產品非常感興趣，特別是場效應晶體管、低功耗邏輯和非易失性存儲器。北京科技大學新材料與技術研究所設計了一種具有氧化鉍層狀結構的薄膜，可以通過將鐵電態穩定到1nm。這種薄膜可以通過具有明顯成本效益的化學溶液沉積在各種基板上生長。觀察到一個標準的鐵電磁滯回線，厚度可達~1納米。厚度范圍為1~4.56nm的薄膜具有相對較大的剩余極化，為每平方厘米17~50微庫侖，通過第一性原理計算驗證了該結構。

? ? ? 北京科技大學將相關研究工作以“Ferroelectricity in layered bismuth oxide down to 1 nanometer”為題刊登在《Science》上。

三、【核心創新點】

  • 增加了小尺度上保持鐵電性材料的數量。
  • 發現了一種鐵電氧化秘結構的鐵電行為持續到1納米。
  • 相對較高的極化使1納米薄膜成為各種應用的理想候選材料。

?四、【研究概覽】

圖1 在(0001)Al2O3襯底上生長的層狀氧化鉍薄膜的晶體結構表征。? 2023 AAAS

圖2 超薄BSO薄膜表征。? 2023 AAAS

圖3 宏觀鐵電表征。? 2023 AAAS

圖4 BSO薄膜PFM。? 2023 AAAS

圖5 DFT和HAADF-STEM確認BSO結構。? 2023 AAAS

五、【成果啟示】

? ? ? ? ?研究人員設計了具有氧化鉍層狀結構鐵電材料，通過溶膠-凝膠法制備了結晶度良好的BSO薄膜，該薄膜可以在多種襯底上生長。該薄膜在室溫下仍可實現1nm厚度的宏極化，具有17μC·cm-2的高剩余極化。通過測量PFM中的寫入域和局部蝶形曲線，確認了鐵電特性。通過DFT計算得到了BSO薄膜的結構，并確認其是一種與之前觀察到的不同類型的室溫鐵電薄膜。為未來鐵電材料的研究提供了一條有前景的途徑，非常適合未來的納米電子器件。

原文詳情：https://doi:10.1126/science.abm5134

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