揭示铁电材料的微观尺寸效应

来源：材料人

【引言】

随着科技的快速发展，市场对于越来越多的微／纳机电系统的需求日益剧增。铁电材料作为一种重要的功能材料已经被广泛地应用在日常的微／纳机电系统中。然而，随着材料的尺寸在电子器件中变得越来越小，材料尺寸对于性能的影响变得不可忽略 。近期研究发现，铁电薄膜在纳米尺度内仍然保存着一定的铁电性能， 这是由于衬底对薄膜的强大夹持作用。然而，材料尺寸对于没有衬底夹持的铁电单晶在纳米尺度内的铁电性能的影响并没有得到很好地研究。

【成果简介】

近日，澳大利亚悉尼大学廖晓舟教授（共同通讯作者）课题组的陈子斌博士（第一作者及共同通讯作者），西安交通大学李飞教授（共同第一作者），和卧龙岗大学张树君教授（共同通讯作者）等人在国际顶级期刊Science Advances期刊上发表了题为Giant Tuning of Ferroelectricity in Single Crystals by Thickness Engineering的论文。这项工作中，作者首次报道了铁电性在纳米尺度弛豫铁电体材料中存在强烈的尺寸效应， 利用这种尺寸效应，铁电体材料的铁电性能能够被很好地调控。文章作者结合原子分辨率扫描透射电子显微镜以及先进的原位表征技术对单晶铁电材料Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-38%PbTiO3（PMN-38%PT）实时观测电场作用下铁电畴结构的演化，他们发现材料厚度存在一个纳米级的临界尺寸，跨过这一临界尺寸，铁电畴在电场作用下的翻转模式呈现出根本性的转变。薄样品呈现巨大矫顽场和非常小的剩余极化场， 而厚样品则展示非常小的矫顽场和异常巨大剩余极化场。实验观测及相场模拟计算显示，存在于样品表面约30个原子层厚的极化错乱层对材料内层的极化施加了强烈的应力，导致了材料内部的铁电畴难以在电场作用下翻转，从而巨大地改变了材料的铁电性能。这项研究为在微观铁电器件里控制铁电材料性能开拓了一个重要的思路。

【图文解析】

图一. 原位透射电子显微镜技术的设置，不同材料尺度下铁电畴在电场作用下的翻转现象。

（A）原位实验装置图以及不同尺寸的样品形貌。样品1，2，3具有厚度分别为170nm， 50nm， 50nm。 图中绿色，粉红色，黄色以及褐色箭头代表畴的极化方向（B）90度铁弹畴的原子尺度扫描透射电镜图以及畴极化方向的判定。材料内部均为180度铁电畴以及90度铁弹畴；

（C）铁弹畴界的几何相位分析。铁弹畴内的应变在正负1%以内；

（D）和（E）在170纳米的样品中，铁电畴以跨越铁电／铁弹畴壁的片状模式翻转；

（F）和（G）在50 纳米的样品中，铁电畴沿着铁电／铁弹畴壁以线形模式翻转。

图二. 畴壁顶点对畴翻转的影响。

（A）和（B）在50纳米的薄样品中，如果存在畴壁的顶点，一旦畴的翻转突破畴壁的顶点，整个畴的翻转模式就会变为跨越畴界的片装翻转模式 （变为在厚样品内的翻转模式）；

（C）-（E）铁弹畴界顶部与内部的几何相位分析。对比起铁弹畴壁，铁弹畴壁的顶点应变非常微弱，因此可以成为畴翻转的突破口，从而改变畴的翻转模式。

图三.  尺寸效应的机理。 

（A）高分辨扫描透射电镜高角环形暗场图。图中标出了一层大约30个原则层厚度的错乱极化层。样品表面的错乱极化层倒置了样品表面的极化方向发生极大的诱导作用；

（B）高分辨扫描透射电镜高角环形暗场图显示放大的错乱极化层导致的晶格形变。错乱极化层导致了严重的晶格形变，对样品内部产生巨大的夹持作用；

（C）错乱极化层的几何相位分析。由于晶格剧烈形变，这个区域的应变可以达到10%；

（D）错乱极化层对材料内部的夹持作用的示意图。随着材料越来越薄，表面的错乱极化层对材料的夹持作用变得越来越明显。从而导致了材料在不同厚度的翻转模式发生改变。

图四. 相场模拟。 

（A）厚度不同样品的铁电翻转模型；

（B）厚样品在没有被表面夹持时，畴的翻转呈现像实验中的片状翻转模式；

（C）薄样品在被表面夹持时，畴的翻转呈现在实验中的沿畴壁方向的线形翻转模式。

【小结】

综上所述，作者利用原位电子显微技术观察了 铁电畴在电场作用下的翻转模式，结合材料的厚度，表明了铁电材料存在的尺寸效应。不同的尺寸对于材料的性能有不同的调制作用。一个大约30个原子层厚的错乱极化层导致了这种尺寸效应的出现。同时，相场模拟支撑了实验的观测以及背后的机理。总之，该工作为调控微电子电路的铁电材料性能提供了新思路。

这项工作的合作者还包括悉尼大学黄芊蔚博士，Simon Ringer教授，上海师范大学刘飞， 王飞飞教授，上海硅酸盐研究所罗豪甦教授，以及宾夕法尼亚大学陈龙庆教授 。