弹性多畴外延铁电薄膜的优化设计和可控制备

规则有序的弹性多畴结构是铁电薄膜材料的固有微观结构特性，是在受基体束缚条件下铁电相变的自然产物。每一单畴内部具有均匀划一的晶体结构和取决于材料本身的本征物理性能，而通过外场下畴壁移动发生的畴与畴之间的相互转化，可以贡献多种非本征的物理效应（应变、电荷、温度变化等），这些效应的大小可以和本征物理效应相比甚至更大。对这些非本征物理性能的控制和利用，可以极大地扩展铁电薄膜材料的应用范围。本项目针对如何优化及利用铁电薄膜非本征物理性能的技术挑战，用弹性畴理论结合应变工程方法设计铁电薄膜中的多畴结构，用射频磁控溅射作为主要实验手段，制备具有高移动性畴壁的多畴外延铁电薄膜材料，并利用多种测试方法对多畴薄膜进行表征，以最终实现充分、稳定和可逆的非本征物理性能。本项目具有重要的科学和实用价值，将促进科学界对于铁电薄膜材料物理性能的深入理解，以及扩大其在传感器材料领域的应用。

本项目针对如何优化及利用铁电薄膜非本征物理性能的技术挑战，用弹性畴理论结合应变工程和界面工程方法，以射频磁控溅射作为主要实验手段，设计制备了单畴和多畴外延铁电薄膜异质结构。利用多种测试方法手段对单畴和多畴薄膜进行了表征，包括用XRD、扫描电镜、透射电镜、光学显微镜、扫描探针显微镜等手段进行的微观结构表征，以及铁电综合测试仪、LCR表、阻抗分析仪、激光多普勒振动测量仪等仪器进行的电学和电机械性能测试。在薄膜设计的理论研究方面，我们研究了铁酸铋薄膜中多畴比例随外延应变的变化，给出了“应变致稳”的四方相含量随有效基体晶格常数的变化关系，以及在同一基体上随薄膜厚度变化时，在位错和多畴结构两种应力松弛方式的共同作用下，多畴结构稳定性的演变及其比例的变化 (Scripta Materialia, 2012)。通过这一工作，我们打下了进一步优化设计弹性多畴铁电薄膜的理论基础。在多畴结构的非本征效应方面，首先，我们系统地完成了薄膜本征压电性能的理论研究工作，在本征纵向压电系数d33的定量研究方面取得了重要突破，获得其解析表达式 (J. of Phys. D: Appl. Phys., 2013）。在此基础上，我们研究了畴壁移动对于铁电薄膜介电和压电性能的贡献，量化了畴壁移动导致的非本征压电效应和介电效应，获得了多畴薄膜压电系数和介电系数的解析解 (Journal of Advanced Ceramics, 2013)。在多畴铁电薄膜的制备方面，我们使用同轴溅射与离轴溅射相结合的镀膜方法, 以及导电氧化物电极技术，通过对溅射功率和冷却速率等核心工艺参数的调控，成功地制备了钛酸钡同相多畴外延薄膜；通过调节薄膜厚度以及生长温度等核心工艺参数，成功地制备出铁酸铋异相多畴外延薄膜。此外还研究了多畴铁电和铁磁纳米复合材料，钛酸钡单畴薄膜的高温制备和性能，钛酸钡、铁酸铋薄膜的中低温制备，掺杂、界面和应变对薄膜性能的调制作用等相关内容。主要结果已经发表在SCI期刊 Acta Mater. (2015), Sci. & Tech. of Adv. Mater.(2012, 2014), Appl. Surf. Sci. (2013), J. Alloy Compd. (2013), Phys. Status Solidi A (2014), Thin Solid Films (2012)。