两相有序交错结构的铁酸铋薄膜界面的原子尺度原位电镜研究

BiFeO3 (BFO) is one of the most important multiferroic oxides. Strain-driven BFO thin film demonstrates a mixed phase interlaced by pseudo-rhombohedral phase (R phase) and pseudo-tetragonal phase (T phase) at nanoscale. Enhanced multiferroism at R/T phase boundary has been noticed for its potential for information storage, whereas a reversible transform between pure T phase and pure R phase has shown its capability of ~14% energy storage as shape memory oxide. The use of multi-function BFO thin film as building block for nanodevices is promising due to its various stimulus-response, which is largely dependent on its structural variation. Since the distribution of R/T phase is highly sensitive to the strain provided by the substrate/BFO interface, the tunability of BFO R/T phase via strain control has opened a pathway to tailor its response under multiple stimuli. Therefore, a fundamental understanding of the interplay between BFO structure, novel physical properties and driving force for R/T phase transition is desired. .This proposed project is aimed to investigate BFO thin film at atomic resolution via in-situ TEM. By using aberration-corrected (S)TEM, strain distribution at substrate/BFO interface (a/b axis) and its propogation along growing direction (c axis) will be studied in order to quantify its relation between R/T phase distribution. In-situ tensile/indentation/heating experiments are then performed to tailor its R/T phase transition. Special attention is paid to R/T phase boundary where enhanced multiferroism is originated. Lattice distortion at phase boundary due to large c/a mismatch between R phase and T phase will be studied at sub-angstrom scale, including Bi/Fe displacement, oxygen octahedra tilt, and Fe-O coordination variation etc.

铁酸铋（BiFeO3即BFO）是多铁氧化物的重点研究对象。由界面应力驱动生长的BFO薄膜具有赝菱形相（R相）和准四方相（T相）在纳米尺度有序间隔的双相结构，因界面显著增强的磁电特性和T-R可逆相变达到的14%形状记忆能力，可用于高密度信息存储和能量存储。如何利用BFO的结构对界面应力的敏感性，调控BFO薄膜对多种外场作用的响应能力，是实现其在梯度复合功能纳米器件中应用的重要问题。而从原子尺度认知BFO的T-R界面及该界面结构在外场作用下的可逆运动过程和相关物理性质响应是BFO薄膜在相关纳米器件应用中的关键科学问题。本项目拟在原子尺度下，以外延BFO薄膜为研究对象，通过球差校正透射电子显微镜和原位实验平台，1）研究界面应变在三维空间的分布与T/R两相分布的量化关系；2）原位并定量化地建立应力/温度与T-R相变的关系；3）关联R/T界面晶格畸变与界面增强的物理特性，并原位研究界面的外场响应。

铁酸铋（BiFeO3，简写为BFO）是钙钛矿结构多铁氧化物材料的重点研究对象。应力驱动生长的BFO薄膜具有突出的多外场响应能力，而BFO异质结纳米薄膜的的功能性与T/R相在纳米尺度的有序交错分布密切相关。本项目通过超高分辨球差校正电镜对T/R相BFO薄膜相界处的晶体微结构和电子结构进行研究，并结合原位实验平台研究BFO薄膜T/R相在外场诱导下的相变及其可逆性。.本项目的工作主要集中在以下几个方面：（1）通过分析不同衬底上生长的铁酸铋BFO薄膜，研究衬底提供的应力对T/R相变及两相分布的关联，这部分的发现对于功能性纳米器件的设计提供有力的实验证据；（2）通过高分辨TEM及原子尺度应变分析T/R相界晶格畸变，研究了应力梯度在T/R相界纳米尺度内的变化，并关联到相界两侧的电极化不对称性，这部分工作研究T/R相变与界面应力应变的内在联系，探明了探针应力控制下BFO铁弹性翻转的微结构起源；（3）通过原位加热TEM实验，从纳米到原子尺度下研究温度场作用下的薄膜微结构变化，不但发现加热能实现T/R可逆相变，实现较高的形状记忆能力，还发现相变是一个瞬时相变过程，这部分的研究结果已经在国际会议上做邀请报告，受到广泛的关注和好评；（4）通过原位力学TEM实验，研究在平行于薄膜生长平面方向施加应力条件下薄膜相结构及微结构的响应；这部分的研究结果验证了我们在申请研究报告时提出的想法，对于外加应力状态下的两相可逆相变首次做出了原位TEM实验，是本项目的重要研究成果；（5）改进三维电子重构方法，关联衍射与三维重构的形貌，研究复杂不规则界面/表面的纳米结构，使三维电子重构方法能够更加普适的应用于纳米材料表面结构的分析。本项目共发表期刊论文7篇，包括受邀为国外期刊写电子显微方法综述1篇，参加国内外会议多次，包括受邀在国际会议上做特邀报告1次。