JPhysD编辑优选:利用缺陷材料实现的室温强铁电性

29 7月 2020 gabriels

本篇研究来自上海科技大学翟晓芳研究员和中国科学技术大学陆亚林教授带领的课题组,主要研究目的是通过构造含Sr缺陷的铁电超晶格,来实现其室温铁电性的增强。


文章介绍

The enhanced ferroelectricity in Sr1-δTiO3/BaTiO3 superlattices with Sr deficiency

Zhicheng Wang(王志成), Hui Cao(曹慧), Qixin Liu(刘其鑫), Zhangzhang Cui(崔璋璋), Hui Xu(徐珲), Hua Zhou(周华), Xiaofang Zhai(翟晓芳) and Yalin Lu(陆亚林)

通讯作者:

  • 翟晓芳,上海科技大学,物质科学与技术学院
  • 陆亚林,中国科学技术大学, 微尺度物质科学国家研究中心

图1. (Sr1-δTiO3)n/(BaTiO3)8超晶格的氧八面体旋转角度比γ/α和铁电极化Pr的关联

课题组利用脉冲激光沉积系统制备了一系列(Sr1-δTiO3)n/(BaTiO3)8超晶格,其中铁电Sr1-δTiO3层数n为4,6,8,10,Sr1-δTiO3中的Sr缺陷浓度通过RBS测试确定为5%左右。通过电滞回线测试,发现在Sr1-δTiO3层数为6层时,超晶格的室温铁电性是最强的,并且剩余极化强度比BaTiO3高70%左右,变温介电常数测试结果表明6/8超晶格的铁电居里温度比BaTiO3高了40 K。XRD测试结果显示超晶格面内晶格常数在Sr1-δTiO3层数n大于等于6层时基本保持不变,说明应力并不是导致超晶格铁电增强的关键因素。同步辐射测试结果表明n=6的超晶格中不存在A位离子(Sr或Ba)位移,而另外三个超晶格中则存在A位离子位移,并且实验结果拟合得到了氧八面体面内和面外旋转角α 和 γ值以及两者的比值,发现n=6的超晶格有着最大的γ和最小的α,更重要的是四个超晶格样品的γ/α值随Sr1-δTiO3层数n的变化趋势和剩余极化值的变化趋势是近乎一致的,这一现象说明了超晶格铁电性和氧八面体旋转状态存在强烈的耦合关系。因此,该结果说明利用含Sr缺陷的Sr1-δTiO3制备的Sr1-δTiO3/BaTiO3超晶格在特定周期(6/8)结构中,可以非常强的铁电性,不仅超过含大量缺陷的Sr1-δTiO3,也超过了BaTiO3,为缺陷铁电体Sr1-δTiO3的室温应用提供了一种可行的思路。

研究背景

钛酸锶(SrTiO3)是一种非常重要的钙钛矿材料,拥有着丰富的物理性质,在氧化物器件领域得到广泛的应用。纯的SrTiO3在室温没有铁电性,近几年人们发现Sr缺陷是实现Sr1-δTiO3室温铁电的关键,然而由此得到的室温铁电极化非常弱, 且只有厚度在若干nm之内才具有铁电性。因此,室温Sr1-δTiO3铁电性的应用存在很大瓶颈。

超晶格中成分不连续和界面耦合可以改变氧八面体旋转模式以及电学边界条件,从而对铁电性进行有效调控。在之前的铁电超晶格研究中,SrTiO3仅仅被用做衬底或者一种顺电的介电层,对于含Sr缺陷的铁电Sr1-δTiO3, 缺陷附近的原子位置发生了变化,其超晶格的铁电性也会有显著不同。本研究目的是通过构造含Sr缺陷的铁电超晶格,来实现其室温铁电性的增强。


作者介绍

翟晓芳,上海科技大学物质学院常任教授/研究员、课题组长。主要从事钙钛矿氧化物薄膜的结构和性能研究,研究手段为脉冲激光分子束外延生长和多种同步辐射表征。

陆亚林,中国科学技术大学杰出讲席教授,国家首批特聘专家,中国科学技术大学校长特别助理,先进光子科学技术安徽省实验室主任。主要从事氧化物量子功能材料、先进太赫兹光子技术、能源材料方面的研究。