BiFeO3外延薄膜挠曲电效应调控及其对磁电性能增强机理研究

The development of nanoscale technologies has attracted great interests in flexoelectricity, as the large strain gradients often present at the nanoscale can lead to strong flexoelectric effects. According to previous reports, one may expected that there will be large flexoelectric effects at the phase boundaries in BiFeO3 (BFO) epitaxial thin film due to the giant strain gradient (1E7/m) and polarization (>100 uC/cm2), which will shed some light on mechanisms for enhanced electromechanical coupling and its applications. In this proposal, we plan to investigate the effects of flexoelectric coupling on the magnetic and electrical properties of BFO thin films with strain gradients. The flexoelectric effects at the interface (eg. phase boundaries, domain walls and dislocation cores) will be revealed in the atomic scale by measuring the flexoelectric polarization and the flexoelectric coefficients with a high resolution transmission electron microscopy. We also plan to explore the mechanisms of flexoelectric switching of ferroelectric nanodomains and find effective ways to control the flexoelectric switching. The flexomagnetic effect and flexomagnetoelectric effect of BFO thin films will be investigated. We try to find effective ways to tune the magnetoelectric coupling through flexomagnetic and flexomagnetoelectric effects. Combining experimental results with theoretical ones, the mechanisms for magnetic, electrical properties enhancements should be revealed. The results of this project will support the flexoelectricity application of epitaxial BFO thin films.

多铁性BiFeO3 (BFO)外延薄膜在相界区域应变梯度高达1E7/m，与其巨大的剩余极化(>100 uC/cm2)耦合，可产生显著的挠曲电效应，这为BFO磁电性能调控及其应用提供新的思路和方法，受到人们极大关注。本项目拟通过改变生长工艺调控薄膜中的应变梯度，研究挠曲电效应对BFO外延薄膜宏观磁电性能的影响，建立薄膜应变梯度的大小与宏观性能的关联；采用原位高分辨透射电子显微术，从原子尺度研究薄膜中的界面(相界、畴界、缺陷)附近的挠曲电效应，测量应变梯度大小，计算挠曲电极化和挠曲电系数的大小，探索基于挠曲电效应实现机械应力控制铁电纳米畴开关的技术方法和物理机制，得到应变梯度与电极化耦合的直接证据；探索挠曲磁和挠曲磁电效应，获得利用挠曲磁电效应增强磁电耦合的技术手段，结合唯象理论计算，揭示挠曲磁电耦合增强磁电效应的物理机制，为BFO在光电信息领域的应用提供理论指导和实验依据。

BiFeO3 (BFO)薄膜中各类界面附近存在的应变梯度与自发极化耦合产生显著的挠曲电效应，引起BFO外延薄膜的诸多性能的改变，影响相关器件的性能。在该项目基金的资助下，按照研究计划，重点开展了BFO外延薄膜中的挠曲电效应及其对磁电耦合效应增强的物理机制等相关研究，取得了一系列研究成果，基本实现了既定的科学目标。首先，通过控制薄膜生长工艺，实现了BFO多铁外延薄膜的可控生长及其畴结构调控；详细研究了薄膜厚度与畴宽之间的关系，发现在该BFO薄膜中109o畴的畴宽与薄膜的厚度不满足Kettle标度律，而是存在一个0.9的指数关系；系统研究了BFO多铁外延薄膜中各种界面的微观结构及其应变分布，揭示了薄膜中的应变梯度与极化耦合的微观图景，估算BFO薄膜中相界附近的挠曲电系数f33约为10 nC/m；发现BFO外延薄膜的忆阻行为，揭示了不同异质结结构、不同应变以及应变梯度对薄膜阻变性能影响的物理机制；此外，在本项目的支持下，我们拓展研究内容至层状钙钛矿结构室温单相多铁材料，深入研究了增强其磁电耦合的技术手段和物理机制，取得了较好的结果。通过该项目的实施，对BFO外延薄膜的结构和畴结构调控形成了成熟的技术手段，对BFO薄膜中的应变和应变梯度对薄膜物性的调控机制有了一定的理解，这些工作为BFO在光电信息领域的应用提供了材料和物理基础。在项目执行中，项目组发表了致谢该项目基金号、且包含相关重点研究内容的SCI期刊论文20篇；获得中国发明专利授权1项，申请专利2项；培养博士毕业生1名、硕士研究生9名。