Nature子刊：具有永久鐵電保持性的鐵酸鉍介觀晶體

【引言】

鐵電存儲器是一種在斷電時不會丟失信息的非易失存儲器，具有高速度、高密度、低功耗和抗輻射等優點，其在移動電話、嵌入式微處理器、航空航天和軍事應用等領域顯示出極大的發展潛力和良好的應用前景，從而受到各國科技界和產業界的廣泛關注。基于磁電多鐵材料開發的非易失存儲器，被認為是下一代超越現在常規器件的電子設備，但其距離應用仍有一定的距離，當前其疲勞、印記失效、保持性能損失等問題亟需解決。

【成果簡介】

近日，來自臺灣交通大學的朱英豪（通訊作者）等人設計出了一種新的模型體系，將BFO（BiFeO₃）介觀晶體嵌入CFO（CoFe₂O₄）基質中，利用彈性能成功解決了BFO材料中保持性能損失的問題，讓BFO鐵電存儲器向應用進了一大步。

他們使用激光脈沖沉淀技術制備BFO（111）介觀晶體，使用的靶材BFO和CFO的摩爾比為2:1，由于CFO (111) 和基底STO（111）的表面能之差小于BFO (111) 和基底STO（111）的表面能之差，實驗自然會形成BFO介觀晶體嵌入CFO基質的結構。實驗結果表明合適厚度和尺寸的BFO介觀晶體，在經過1.4×10⁴?h的時間，剩余極化強度并未發生太大的變化，具有很好的保持性能。

這項工作為解決鐵電存儲器保持性能損失這一關鍵問題提供了一種新的方法，其相比于以前解決該類問題的金屬-鐵電材料-金屬電容結構，在電路小型化等方面更具優勢。該工作在鐵電存儲器和智能設備的發展中有著重要的意義。

【圖文導讀】

圖1.?極化轉向過程和應變對極化轉向影響的模擬

圖a是PZT極化轉向的原理模擬圖。

圖b是BFO（111）極化轉向的原理模擬圖。

圖c是BFO（111）在不同頻率下轉向極化強度與電場的PE回線圖。

圖d是BFO（001）在不同頻率下轉向極化強度與電場的PE回線圖，其中黑線、紅線、藍線、紫線分別代表電場頻率為1MHz、100kHz、10kHz、1kHz。

圖e是在無壓力邊界條件下極化轉向總的自由能和轉向路徑的關系，在71°轉向過程中轉向方向從[111]轉到[11]，最后轉到[110]方向，在180°轉向過程中轉向方向從[111]轉到[000]，最后轉到[]方向。

圖f是在BFO薄膜中極化轉向的勢壘與外延應變的關系，其中實線代表180°轉向而虛線代表71°轉向。

圖2.?設計制備的BFO介觀晶體的結構和觀察到的保持性能行為

圖a是BFO（111）介觀晶體結構模擬圖。

圖b是BFO（111）納米單晶的平面圖和這種BFO（111）介觀晶體嵌入CFO基質結構的橫截面TEM圖。

圖c是對STO(111)進行高分辨X射線測試得到的XRD圖譜，其中黑線代表BFO介觀晶體厚度為120nm，紅線代表BFO介觀晶體厚度為80nm，藍線代表BFO介觀晶體厚度為40nm。

圖d是極化轉向后4400小時，材料在PFM面外模式下觀察到圖像。

圖e是不同厚度的樣品相位與電壓的遲滯回線，黑線表示樣品厚度為40nm，紅線表示樣品厚度為80nm，藍線表示樣品厚度為120nm。

圖f表示不同厚度的BFO介觀晶體剩余極化強度和弛豫（極化強度倒轉）時間的關系。

圖3.?不同的弛豫過程

圖a是不同外形BFO介觀晶體的原理圖。

圖b是弛豫演變過程的原理圖。

圖c表示不同尺寸的BFO介觀晶體弛豫過程中隨時間的變化。

圖d是不同外形的BFO介觀晶體弛豫過程的相場模擬圖，其中白色的區域代表鐵電疇向上，黑色的區域代表鐵電疇向下，三角晶體和六邊形晶體的橫截面積分別是0.01和0.04μm²。在模擬過程中，材料的電學性能潛力一步步增長，而且模擬的結果和不同時間下實驗的結果進行了對比。

圖4.?極化保持性能損失機理

圖a是不同尺寸的BFO介觀晶體標準剩余極化強度與弛豫時間關系對比圖譜，其中黑線代表樣品厚度為80nm，橫截面積為0.0181μm²，紅線代表樣品厚度為80nm，橫截面積為0.0469μm²。

圖b是極化相位隨著電場變化的關系圖譜，其中由矩形和圓形組成的虛線代表著實驗數據，而黑線和紅線代表相場模擬結果，黑色的矩形代表三角晶體、實驗數據，黑線代表三角晶體、實驗數據，紅色的矩形代表六角晶體、實驗數據，紅線代表六角晶體、實驗數據。

圖c是不同形狀的BFO介觀晶體的矯頑場和側面面積關系圖譜，對應的矯頑場都是相同厚度的BFO介觀晶體的數據，其中黑線代表三角晶體，而紅線代表六角晶體。

圖d是平均面外壓力與側面面積的關系圖譜，其中黑線代表三角晶體，而紅線代表六角晶體。

文獻鏈接：Permanent ferroelectric retention?of BiFeO₃?mesocrystal（Nat. Commun.,?2016,?DOI: 10.1038/ncomms13199）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，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。

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com。