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Sub-1nm铁电薄膜中极化的精确测量

铁电材料具有可控的极化转变性质,因此在下一代逻辑电路、非易失性存储器、传感器等纳米电子器件领域有广阔的应用前景。随着未来器件尺寸的小型化,要求铁电材料的尺寸和铁电薄膜的厚度越来越小。因此理解铁电材料中的极化对尺寸的依赖关系非常重要。


对于铁电薄膜,在其表面、界面处,由于晶体结构平移对称性破缺导致的电偶极矩不连续会产生束缚极化电荷。这些极化电荷会产生一个与电偶极矩方向相反的退极化场。如果极化电荷得不到有效地屏蔽,强烈的退极化场就会使得铁电极化被抑制甚至铁电相不稳定。实际上,铁电体的表、界面上的极化电荷屏蔽机制是我们理解所有铁电现象的关键。尤其是对于薄膜材料,随着薄膜厚度的变小,退极化场会越来越强,可以使得铁电性完全消失。因此以前的研究倾向于认为,铁电薄膜中会存在一个临界尺寸,一般有几十或者几百纳米,当薄膜的厚度低于临界尺寸,铁电相就不再能够稳定存在。但是,也有理论指出,取决于界面上具体的屏蔽条件,铁电薄膜中并不一定都存在临界尺寸。


要澄清这些争议并不容易。主要的挑战在于很难精确测量超薄铁电薄膜中极化强度。比如常规的电学测量方法对于超薄铁电薄膜并不适用,因为超薄铁电薄膜总会存在较为严重的漏电流问题,从而使得测量的结果并不能反应本征的极化强度。另一方面,传统的谱学手段只能得到宏观尺度上的集体行为,而铁电薄膜通常具有不均匀的多畴结构,不同的畴,结构也是不一样的。因此宏观谱学没有足够的空间分辨率来区分不同畴中的极化行为。此外,基于原子力显微镜的表面探测手段(比如PFM)只对表面敏感,无法探测到包埋在晶体内部的界面信息。


而过去几年发展起来的基于球差矫正电镜的图像定量分析技术,基本上能克服这些困难,能够实现在皮米(0.001 纳米)尺度上精确测量局域结构。对于位移型的铁电体,通过精确地测量离子之间的键长,就可以计算出局域极化强度的大小。这种方法可以同时精确确定单个畴中的极化强度、表面界面效应等,并且与薄膜厚度关联起来,也不存在漏电流等问题。

环形明场像的1.5 uc(0.6 nm) PbZr0.2Ti0.8O3(PZT) 薄膜生长在SrTiO3(STO)衬底上。PbZr0.2Ti0.8O3中的极化强度与厚度的依赖关系(橙色和蓝色实心饼),以及与早期文献的对比(空心)。


基于这种方法,北京大学、武汉大学、东京大学等合作研究了铁电薄膜极化大小对厚度的依赖关系。他们与合作者,采用脉冲激光沉积的方法在导电、绝缘单晶衬底上外延生长了高质量的锆钛酸铅(PbZr0.2Ti0.8O3)薄膜,制备出铁电异质结。通过采集球差矫正扫描透射电子显微镜环形明场成像照片,结合定量化分析,他们发现在绝缘衬底上,在1.5个晶胞厚度(约0.6 nm)的锆钛酸铅薄膜中仍然存在稳定的铁电极化,大约为体相的17%。在导电的衬底上,在2个单胞厚度(约0.8 nm)中的极化强度约体相的22%。这是首次在厚度小于一个纳米的钙钛矿铁电薄膜中测量到稳定的极化强度。此外他们发现铁电薄膜厚度小于3个晶胞时,极化主要来源于Pb-O键长而不是Ti-O键。该研究结果表明钙钛矿铁电薄膜中有可能并不存在临界尺寸,对于我们理解铁电材料的基本物理问题有重要启发。此外,这个工作为未来纳米尺寸铁电器件设计提供了实验依据。


这一研究成果已经发表在Nature Communications 杂志上。


该论文作者为:Peng Gao*, Zhangyuan Zhang, Mingqiang Li, Ryo Ishikawa, Bin Feng, Heng-Jui Liu, Yen-Lin Huang, Naoya Shibata, Xiumei Ma, Shulin Chen, Jingmin Zhang, Kaihui Liu, En-Ge Wang, Dapeng Yu, Lei Liao*, Ying-Hao Chu & Yuichi Ikuhara*

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Possible absence of critical thickness and size effect in ultrathin perovskite ferroelectric films

Nat. Commun., 2017, 8, 15549, DOI: 10.1038/ncomms15549


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