北京科技大学，迎来2023年首篇Science

2023-03-25

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2023年3月24日，北京科技大学张林兴、田建军及北京工业大学卢岳共同通讯在Science在线发表题为“Ferroelectricity in layered bismuth oxide down to 1 nanometer”的研究论文，该研究表明层状氧化铋的铁电性可达1纳米。该研究设计了一种具有氧化铋层状结构的薄膜，可以通过钐束缚将铁电状态稳定到1纳米。这种薄膜可以生长在各种基材上，具有成本效益的化学溶液沉积。作者观察到一个厚度约为1纳米的标准铁电滞回线。

厚度从1到4.56纳米的薄膜具有相对较大的剩余极化，从17到50微库仑每平方厘米。该研究用第一性原理计算验证了该结构，这也表明该材料是一种孤对驱动的铁电材料。超薄铁电薄膜的结构设计对原子尺度电子器件的制造具有很大的潜力。

超薄铁电薄膜用于制备微型和大容量非易失性存储器。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，一些传统的钙钛矿氧化物体系、掺杂HfOx铁电体系和二维层状铁电体系在逐渐接近亚纳米尺寸的同时，仍能保持宏观铁电性质，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主要问题是临界尺寸效应，即厚度降低产生的巨大退极化场屏蔽了铁电效应，导致铁电相不稳定。

最近的研究表明，尺寸效应在某些材料中可以被抑制。据报道，许多厚度为一纳米或几个单位电池的薄膜仍然具有铁电性，但这些工作中报道的超薄膜的铁电性质只能通过横断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来证实，而不是通过宏观铁电滞后回线与极化电场测量。

层状氧化铋是一类经典的具有高居里温度(T_c)和高电阻的铁电材料。这些Bi₂WO₆、SrBi₂Ta₂O₉、Bi₄Ti₃O₁₂等体系具有独特的Aurivillius结构，是著名的层状氧化铋铁电体，由(Bi₂O₂)²⁺片和N个钙钛矿样块的互生组成，其中包含一层八面体B位。近年来已经报道了几种具有层状超级单体结构的新型铋基氧化物铁电薄膜，如Bi₂AlMnO₆和Bi₂NiMnO₆，它们在结构上与控制铋层具有高度的灵活性。其中一些显示出良好的多铁性能。然而，上述分层薄膜大多表现出面内铁电性质，这限制了它们在器件中的应用。层状结构薄膜在水平方向的生长速率高于垂直方向的生长速率，有利于制备光滑连续的原子级薄膜。层状氧化铋优异的绝缘性能和对空位的高耐受性也有利于低漏液单层单元电池的铁电测量。

该研究通过Sm取代制备了一种层状氧化铋[Bi_1.8Sm_0.2O₃(BSO)]。作者通过溶胶-凝胶法在(0001)Al₂O₃ (AO)或(001)SrTiO₃ (STO)衬底上生长单相薄膜。在1 nm的厚度下，薄膜可以保持极强的面外铁电性，并表现出其他体系在此厚度下无法实现的宏观铁电滞回线。这项工作开发了新一代铁电薄膜，对于制造小型化和高质量的电子器件非常有前途。

论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5134