JPhysD编辑优选:铌酸钾钠基无铅透明铁电薄膜器件的制备

05 8月 2020 gabriels

本篇研究来自中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心陈峰研究员和中国科学技术大学吴文彬教授带领的课题组,文章主要介绍了:

  1. 成功制备出全透明铌酸钾钠(KNN)基无铅铁电薄膜异质结;
  2. 透明 KNN基无铅铁电薄膜异质结具有良好的铁电性、高居里点(>420 ℃)和最高达80%的光学透过率。

文章介绍

Fabrication of the transparent ferroelectric heterostructures based on KNN-based lead-free films

Liqiang Xu(徐立强), Feng Chen(陈峰), Feng Jin(金锋), Lili Qu(屈莉莉), Kexuan Zhang(张可璇), Zixun Zhang(张子璕), Guanyin Gao(高关胤), Ke Wang(王珂) and Wenbin Wu(吴文彬)

通讯作者:

  • 陈峰(中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心)
  • 吴文彬(中国科学技术大学)

 

1. 研究内容和实验方法:

使用脉冲激光沉积系统(PLD)在La0.07Ba0.93SnO3-Buffered SrTiO3(001)衬底上制备高透明的KNN基无铅铁电薄膜异质结。我们对其透光特性、电性能以及温度稳定性进行表征,以探索其在透明光学器件上的应用前景。样品制备原理如图1所示,脉冲激光通过聚光透镜打在目标靶材上,致其表面会瞬间离子化,形成高温高能的等离子体羽辉,之后,等离子体羽辉会在高温衬底表面外延生长。这个过程中,实验参数的控制尤为重要,如温度和氧压。

图 1 PLD系统的工作原理示意图

2. 研究成果及意义

2.1  结构和透光特性表征

X射线衍射、摇摆曲线以及倒易空间图(RSM)显示出实验KNNLT-CZ-M薄膜异质结晶体质量优异。透光率的表征发现 KNNLT-CZ-M基薄膜具有优异的透光特性,最大透射率可达~ 80%,这为其在透明器件的应用奠定了基础。

 

图2. KNNLT-CZM薄膜的X射线衍射以及倒易空间图

 

图3. KNNLT-CZM薄膜的光学透过率图谱

 

2.2 铁电性以及温度稳定性的表征

对于铁电薄膜期器件而言,铁电性和温度稳定性对于其应用至关重要。室温和高温铁电性的测量表明实验KNNLT-CZM薄膜具有良好的铁电以及铁电耐温特性。相变分析发现KNNLT-CZM薄膜具有超高的居里温度(高于420℃),这为KNN基薄膜在高温器件应用前景。

2.3 研究意义

实验探索了KNN基无铅铁电薄膜的电性能以及光学特性,良好的电性能,热稳定性以及透光特性对其在透明光学器件上的应用具有重要参考价值。

 

图4. KNNLT-CZM薄膜的室温/高温铁电性以及相变行为表征

 

研究背景:

铁电材料的应用十分广泛。目前,应用在工业领域的铁电材料主要是锆钛酸铅(PZT)。然而,铅是有毒的,它对人体健康和环境都会产生极大的危害。因此,无铅化是未来铁电材料发展的必然方向,也是大势所趋。其中,铌酸钾钠(KNN)体系因其优异的压电性而受到研究人员的广泛关注。

然而KNN基无铅材料的弱铁电性以及较差的温度稳定性一直制约着它的应用,对于其性能的优化一直是研究人员一直致力解决的问题。此外人们对其在透明器件上的应用探索也存在明显不足。

本文,我们致力于实现KNN基高透明无铅铁电薄膜异质结的制备,并通过优化薄膜制备工艺以实现KNN基薄膜器件良好的铁电性以及优异的温度稳定性。


作者介绍

陈峰研究员(硕士生导师):长期从事钙钛矿结构功能氧化物薄膜、异质结和器件的制备及物性研究。在铁电薄膜的表面界面研究上取得了有特色的研究成果。已在Science,Physical Review Applied,ACS applied materials & interfaces,Physical Review B,Applied Physics Letters等国际期刊发表论文  60余篇,论文被引700余次。作为负责人承担国家基金委青年基金和面上项目各1项,作为研究骨干承担国家重点研发计划项目1项。

吴文彬教授 (博士生导师):2001年入选中科院百人计划,2003年获得国家基金委“杰出青年基金”资助,已在Science,Nature Materials,Nature Communication,Advanced Materials,ACS applied materials & interfaces,Physical Review B,Applied Physics Letters等国际期刊发表论文  160余篇,论文他人引用1800余次。作为负责人承担国家基金委杰青和面上项目5项,作为课题负责人承担973和中科院创新项目各1项,作为研究骨干承担973项目3项、基金委创新群体项目1项。长期从事庞磁电阻薄膜、铁电薄膜、透明导电薄膜及复杂氧化物外延异质结构和超晶格的材料、物理和器件研究工作。在巨磁电阻薄膜的相分离与界面效应,铁电薄膜的极化疲劳机制、印迹效应和铁电场效应,新型类钙钛矿透明导电薄膜,复杂氧化物反铁磁体等研究方面,取得了一系列有特色的研究成果。曾获安徽省自然科学一等奖和中国分析测试协会三等奖各一项。