关联体系的同步辐射原位研究平台及在电子铁电材料中的应用

Electronic ferroelectricity is a novel physical phenomenon based on charge order in correlated electron systems, which reveals a rich interesting properties,such as ferroelectricity and magnetodielectric effect. These remarkable properties could yield immense potential applications in multi-functional microelectronic devices. To undertand and control the physical properties,it is importand to know the foundamental features of charge order. Synchrotron radiation techniques have unique advantages in the characterization of charge order. In this project we will develop an anomalous scattering (resonance scattering) research platform of correlated electron systems with in-situ low temperature environment and electric field at the BL14B diffraction beamline of Shanghai Synchrotron Radiation Facility, and we will investigate some important issues in Fe2OBO3 electronic ferroelectric system using this platform, such as the orgin of charge order, the domain structure, the mechanism of magnetodielectric coupling and the effect of external field on the charge ordering. The implementation of this project will promote the applications of synchrotron radiation techniques in correlated electron systems.

电子铁电性是关联电子体系中基于电荷有序态的一种新的物理现象。这种新型铁电体系表现出丰富的磁电和耦合效应，因此电子铁电材料可能为实现铁电性、磁性和其它性质的相互调控提供一种有效途径，在发展新型多功能微电子器件方面具有广阔的应用前景。了解该体系中电荷有序的微观结构特性是理解和调控材料物性的关键，同步辐射技术在电荷有序的表征方面具有独特优势，国际上第三代同步光源都在积极发展相关技术。在本项目中，通过发展同步辐射X射线异常散射（共振散射）技术，在上海光源衍射站建立集成低温，外场的关联电子体系原位研究平台；同时以电子铁电材料Fe2OBO3为研究对象，针对电子铁电材料的几个前沿问题，如电荷有序基本机理，畴结构，外场对电荷有序的调控机制进行系统性研究。本项目的实施将推动我国同步辐射在关联电子体系研究中的应用，并且为国内外科研工作者提供一个具有国际前沿性的结构研究平台。

使用原位技术对材料的性能和结构表征已经成为第三代同步辐射实验站应用的发展方向。在本项目中,依托于上海光源BL14B衍射站，首次在国内搭建了低温原位电场研究平台，可以进行薄膜液氮温度下的结构和电学特性研究，除此之外，根据研究的需要发展了原位CVD生长平台，可以进行薄膜材料的原位生长和结构测量。通过本项目，已经在上海光源BL14B衍射线搭建了完备的强关联体系原位测试环境，可以为国内外科研工作者提供相关实验条件。 .利用上海光源衍射站及发展的原位装置，做了以下几个工作（1）研究了Fe2BO4的超晶格结构在电场诱导金属绝缘体相变(MIT)过程中的变化，发现一定强度的电场能够将电荷有序结构“熔化”，同时发现晶体的本征晶格结构发生了微小的畸变，说明了该强关联体系中电荷-轨道自由度的强烈耦合。（2）研究了SrTiO3衬底上生长了(110)取向的BiFeO3薄膜的结构，发现BiFeO3薄膜为单畴结构。对于（110）取向BiFeO3薄膜进行了XRR表征，结果显示样品表面存在一个3nm左右的表面层和一个8 Å左右的超薄皮肤层。（3）利用原位二维掠入射x射线衍射技术研究了镍基化学气相沉积催化生长石墨烯的生长过程。数据分析表明石墨烯的层间距随着层数增多而减小，这些结果证实了石墨烯的层间距和层数的关联效应。