封面文章|北科大张林兴教授带领的功能薄膜研究小组：熵增策略实现铁酸铋基薄膜的铁电性增强及漏电改善

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IJMMM2024  Volume 31  Issue 10


封面故事

封面展示了铁电薄膜材料的熵增策略。该策略是一种通过增加系统的熵来优化材料性能的方法。在铁电材料中，通过精心选择并引入多种元素，在材料内部构建多样化的化学环境，从而有效增加系统熵。这种策略有助于提高薄膜的铁电性能，如增强剩余极化和降低漏电，提升其在存储器等应用中的性能和可靠性，从而推动了铁电薄膜材料在商业应用中的进展。

文章信息

熵增策略实现铁酸铋基薄膜的铁电性增强及漏电改善(点击查看原文)

芦栋飞，席国强，李航任，涂杰，刘修桥，刘旭东，田建军，张林兴

引用本文：Dongfei Lu, Guoqiang Xi, Hangren Li, Jie Tu, Xiuqiao Liu, Xudong Liu, Jianjun Tian, and Linxing Zhang, Enhanced ferroelectric and improved leakage of BFO-based thin films through increasing entropy strategy, Int. J. Miner. Metall. Mater., 31(2024), No. 10, pp. 2263-2273. 

https://doi.org/10.1007/s12613-024-2915-7

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封面文章文章亮点

01

系统地研究了B位Co、Cu、Mn及A位Sm、Eu、La取代对BFO铁电薄膜的影响。

02

开发Sm、La、Co、Cu元素共取代的BFO薄膜并研究其铁电性增强和漏电降低的原因。

03

总结并提出了熵增策略可以进一步改善铁电薄膜的综合性能。

文章导读

本文首先介绍了钙钛矿铁电薄膜的研究现状和最具代表性的BFO铁电薄膜，系统地介绍了利用A位取代Bi，B位取代Fe以制备BFO铁电薄膜的研究现状。A位主要为稀土元素，高温状态下稳定不易挥发，B位主要为过渡金属元素，可以有效地抑制Fe³⁺的变价，降低漏电，从而提高BFO薄膜的铁电性能。但是，目前对于BFO的研究还处于瓶颈期，即不能实现大剩余极化的同时降低漏电，因此扼制了其在器件上的应用。因为高温退火下Bi³⁺易挥发，在制备过程中Fe³⁺易变价为Fe²⁺，而且元素取代的含量有一定的范围，不能完全扼制这种不良现象，到目前为止，对于BFO的研究尚未突破这个瓶颈，提高其铁电性仍是一个巨大的挑战。碱土金属元素和过渡金属元素在地壳中的储量丰富，而且这些阳离子具有优于Bi³⁺和Fe³⁺的稳定性，因而许多研究表明这些元素的引入可以改善BFO的铁电性。但是目前并未有人研究熵增对BFO性能的影响，这是走向高熵的重要一步。

然后，系统的介绍了B位Co、Cu、Mn元素和A位Sm、Eu、La元素的取代对BFO晶体结构、铁电性和漏电的影响。结果证实，Sm和Eu的取代引言结构畸变为伪立方，而La取代则偏向于伪四方。压电力显微镜证实，制备的薄膜可以实现近180°的可逆切换。电滞回线表明，极化贡献的顺序如下：Cu>Co>Mn（B位），Sm>La>Eu（A位）。电流密度电压曲线表明，泄漏贡献的顺序如下：Mn<Cu<Co（B位），La<Eu<Sm（A位）。扫描电镜观察结果显示，Cu元素的引入有利于致密晶粒的形成，晶界增多，漏电减小。最后，通过Sm、La、Co和Cu元素的协同作用，剩余极化增加了287%，漏电下降了两个数量级。因此，本研究基于化学工程的增熵策略，注重提高铁电性和降低漏电流，为铁电器件的发展提供了一条很有前途的途径。

图文解析

图1 (a) Sm-CoCu、Eu-CoCu、La-CoCu、SmEu-CoCu、SmLa-CoCu和LaEu-CoCu的XRD图；(b) 结构变化图；(c) Sm-CoCu、Eu-CoCu、La-CoCu、SmEu-CoCu、SmLa-CoCu和(d)-CoCu剩余极化直方图；(d) 6个薄膜的铁电滞后回线；(e) 6个薄膜的泄漏电流密度

图2 BFO基薄膜的性能统计表

作者介绍

张林兴，北京科技大学新材料技术研究院研究员，博士生导师，主要从事铁电功能信息薄膜的新结构设计及器件研究，在巨极化铁电和超薄铁电等方面取得进展，发表SCI学术论文60多篇， 以第一/通讯作者在Science（2篇）、Nat. Commun.、JACS、Nano Lett.、Appl. Phys. Rev.（2篇）等期刊发表成果。申请国家发明专利6项，主持和参与国家级等项目12项。入选国家级青年人才计划、中国科协“青年人才托举工程”、教育部“全国高校黄大年式教师团队”成员；荣获中国化学会青年化学奖、小米青年学者、鼎新青年科学家奖、中国新锐科技人物卓越影响奖、研究生优秀指导教师等。担任PNSMI、化学学报、IJMMM 等期刊的青年编委、Nanomaterials期刊的客座编辑，兼任JSPS HOPE Fellow、全国材料与器件科学家智库膜材料专家委员会委员等。

封面文章

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供稿 | 芦栋飞

排版 | 许欢欢

编辑 | 陈佩仙

审核 | 黄冬华

期刊简介ABOUT US

《矿物冶金与材料学报（英文）》(InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials，IJMMM)是由教育部主管、北京科技大学主办、Springer Nature合作出版的英文学术期刊，1994年创刊，月刊。主要刊载矿物、冶金和材料领域的原创研究论文和特约综述等。被SCIE，EI，CAS，Scopus，ProQuest，OCLC，INSPEC等国际著名文摘或检索系统作为文献源期刊收录。入选中科院期刊分区二区。2023 JCR影响因子为5.6，在冶金与冶金工程学科和矿业工程与矿物加工学科位于Q1区,  在材料科学综合学科位于Q2区前列。2023 CiteScore为9.3，在金属与合金类、材料力学类、材料化学类等类别中均位于Q1区。入选《有色金属领域高质量科技期刊分级目录》T1级别；《冶金工程技术领域高质量科技期刊分级目录》T1级别。

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