BaTiO3/SrTiO3铁电超晶格薄膜相变、电极化及电子结构的电子显微学研究

铁电超晶格薄膜是一种新型的功能薄膜，在微波可调滤波器、存储器及微电子集成方面的应用前景广阔。由于在超薄的条件下具有独特的介电、铁电性能，而成为目前科学研究的一大热点。然而，铁电超晶格薄膜中的界面、应变以及电极化对其铁电、介电等性能影响极大，并且在原子尺度上对超晶格薄膜的微观结构和性能的表征都提出了挑战。本项目拟利用高分辨透射电镜及变温样品台研究(BTO)9/(STO)3、(BTO)5/(STO)5、(BTO)3/(STO)9铁电超晶格薄膜的相变、应变及电极化行为；利用高分辨透射电镜及双倾外加电场样品台实时原位观察铁电超晶格薄膜在外加电场条件下电极化行为的变化；利用电子能量损失谱研究BTO/STO界面及层内的电子结构及薄膜的介电常数。通过本项目的研究，旨在加深理解界面、应变及电极化行为对超晶格薄膜的铁电、介电性能的影响，为其在微波可调滤波器、存储器及微电子集成方面的应用提供可靠的理论指导。

本项目主要利用透射电子显微学对BaTiO3/SrTiO3铁电超晶格薄膜的相变、电极化及其电子结构进行了详细的研究。研究工作按计划进行，以BaxSr1-xTiO3单层外延薄膜及BaTiO3/SrTiO3多层外延薄膜的微观结构及电子结构为研究主线。另外，根据国内外的最新研究进展，开展了关于钙钛矿锰氧化物外延薄膜的缺陷和电荷有序现象的研究。在以上研究的基础上，还对Fe2O3纳米线、Cu2O纳米立方体以及Ni/Cu核壳纳米电缆阵列等进行了细致地研究。研究结果表明：.1) Ba0.75Sr0.25TiO3外延薄膜的介电性能在很大程度上取决于其内部应力和缺陷结构，利用高分辨透射电镜研究了薄膜内部的失配位错和穿透位错的分解行为。对于一个柏格斯矢量为[200]的失配位错，可分解为四个柏格斯矢量为1/2<110>的不全位错；穿透位错可分解为两个不全位错中间夹有堆垛层错。位错的形成可消除Ba0.75Sr0.25TiO3外延薄膜内的局部应力。在BaxSr1-xTiO3外延生长薄膜中除了位错和堆垛层错，还观察到两种不同类型的反相畴界；.2）利用电子能量损失谱的高能损失部分研究BaTiO3/SrTiO3界面处及各层的Ti-L2,3和O-K电离损失峰的精细结构的差异；利用WIEN2k程序对Ti-L2,3和O-K的电离损失峰的近限精细结构进行理论计算，并与实验结果进行比较，找出BaTiO3和SrTiO3的O-K电离损失峰的精细结构差异的原因；.3）研究了Bi0.4Ca0.6MnO3薄膜的表面形貌演变、应变状态、界面缺陷以及低温下的电荷有序行为，研究发现厚度为110 nm的Bi0.4Ca0.6MnO3薄膜存在两种位错，一种是平行于界面方向，另一种是垂直于界面方向。随着Bi0.4Ca0.6MnO3外延薄膜厚度的增加，薄膜发生了由无调制结构，到局域非公度调制结构，再到公度调制结构的变化。同时研究了衬底取向对Sm0.5Ca0.5MnO3外延薄膜中电荷有序行为的影响。.4）对Fe2O3纳米线、Cu2O纳米立方体以及Ni/Cu核壳纳米电缆阵列等的微观结构、生长机理以及物化性能等进行了细致地研究。.经过项目研究组成员的共同努力，本项目已经按期完成预定目标，共发表科研论文20篇，其中SCI论文17篇，EI论文1篇。