新方法制备高宏观铁电性能薄膜|当前聚焦

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本报讯（记者温才妃）北京科技大学新材料技术研究院、北京材料基因工程高精尖创新中心研究团队设计了一种新型层状结构材料，采用一种简单的溶液外延生长方法，获得了超薄（低至1纳米）铋（Bi）氧（O）化物薄膜，薄膜稳定呈现出高宏观铁电性能。相关研究成果近日发表于《科学》。

原子尺度的高密度电子器件在未来科技发展中具有重要意义。其中，高质量原子尺度铁电外延薄膜的制备是超尺度、高密度电子器件发展的关键环节。

然而，近年来一些原子尺度薄膜没有通过电场极化测试证明宏观铁电滞回线，而这是铁电性真实存在的直接证据，也直接决定了它能否应用于电子器件。此外，原子尺寸外延薄膜通常采用分子束外延、激光气象沉积以及气相外延等方法实现，存在成本高等问题。

课题组确立了Bi6O9层状结构，该结构的生成能明显低于其他化合物，而且具有较宽的禁带宽度和最稳定的结构。他们通过引入钐元素有效稳定了低维下的层状结构。低至1纳米时，该结构仍然稳定存在，并且呈现出标准铁电滞回线以及优异的铁电性能。当该结构厚度为1~4.56纳米时，具有较大的铁电剩余极化。压电响应力显微镜测试结果呈现出明显的相翻转。密度泛函理论指出，该薄膜的铁电性是由Bi-O孤对电子引起而不是基底应力导致的，因而具有稳定的铁电性能。

该研究的溶液工程外延薄膜技术可以在多种基底上实现该体系层状结构薄膜。薄膜和基底呈现明显的外延生长关系，并且所得薄膜具有高结晶质量和原子级平整表面，体现了这项制备技术的普适性。

该研究对于原子尺度薄膜制备及原子尺度高密度电子器件发展均具有重要意义，所开发的制备技术表现出很好的应用前景。