北科大&北工大重磅Science！

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一、【导读】

超薄铁电薄膜是制备微型大容量存储器的核心材料。对超尺度器件的迫切需求促使人们逐步探索原子尺度铁电薄膜。近几十年来，已经证明一些传统的钙钛矿氧化物系统，掺杂的HfO_x铁电系统和二维层状铁电系统可以在逐渐接近亚纳米尺寸的同时，保持其宏观铁电特性，但这距离原子尺度还很远。阻碍纳米级铁电薄膜继续研究的首要问题是临界尺寸效应，即厚度减小引起的巨大去极化场屏蔽了铁电效应，导致铁电相不稳定。例如，随着厚度减小到几十纳米或几纳米，具有ABO₃结构的钙钛矿铁电薄膜失去铁电性（其中A为稀土或碱土金属，B为过渡金属；例如，BaTiO₃将从铁电相转变为顺电相）。然而，最近的研究表明，在某些材料中可以抑制尺寸效应。据报道，许多厚度为纳米或几个晶胞的薄膜仍然具有铁电性，例如三晶胞独立式BiFeO₃薄膜等。然而，这些工作中报道的超薄膜铁电特性仅通过横截面高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像、压电响应力显微镜(PFM)、理论计算或隧道电阻滞后，而不是通过使用具有极化电场测量的宏观铁电滞回线，其可以直接识别铁电性，是铁电体在电子器件中应用的主要决定因素。

二、【成果掠影】

原子级铁电体对高密度电子产品非常感兴趣，特别是场效应晶体管、低功耗逻辑和非易失性存储器。北京科技大学新材料技术研究院张林兴教授和田建军教授带领团队设计了一种具有氧化铋层状结构的薄膜，可以通过将铁电态稳定到1nm。这种薄膜可以通过具有明显成本效益的化学溶液沉积在各种基板上生长。观察到一个标准的铁电滞回线，厚度可达~1纳米。厚度范围为1~4.56nm的薄膜具有相对较大的剩余极化，为每平方厘米17~50微库仑，通过第一性原理计算验证了该结构。相关研究工作以“Ferroelectricity in layered bismuth oxide down to 1 nanometer”为题刊登在《Science》上。北京科技大学为第一研究单位，新材料技术研究院博士研究生杨倩倩为本论文的第一作者。北京工业大学博士生胡敬聪和西班牙巴斯克大学方跃文研究员为共同第一作者，北京工业大学卢岳副研究员为共同通讯作者。

三、【核心创新点】

1、增加了小尺度上保持铁电性材料的数量。

2、发现了一种铁电氧化秘结构的铁电行为持续到1纳米。

3、相对较高的极化使1纳米薄膜成为各种应用的理想候选材料。

四、【研究概览】

图1 在(0001)Al₂O₃衬底上生长的层状氧化铋薄膜的晶体结构表征。© 2023 AAAS

图2 超薄BSO薄膜表征。© 2023 AAAS

图3 宏观铁电表征。© 2023 AAAS

图4 BSO薄膜PFM。© 2023 AAAS

图5 DFT和HAADF-STEM确认BSO结构。© 2023 AAAS

五、【成果启示】

研究人员设计了具有氧化铋层状结构铁电材料，通过溶胶-凝胶法制备了结晶度良好的BSO薄膜，该薄膜可以在多种衬底上生长。该薄膜在室温下仍可实现1nm厚度的宏极化，具有17μC·cm^-2的高剩余极化。通过测量PFM中的写入域和局部蝶形曲线，确认了铁电特性。通过DFT计算得到了BSO薄膜的结构，并确认其是一种与之前观察到的不同类型的室温铁电薄膜。为未来铁电材料的研究提供了一条有前景的途径，非常适合未来的纳米电子器件。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5134

本文由不可说供稿。

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