铁电薄膜中的垂直界面效应- - 作用、机理与控制

界面在影响铁电薄膜物理性质方面起重要作用，现在已有一系列的实验和理论工作详细研究了铁电薄膜中的水平界面效应。与水平界面相比，沿垂直于基片表面方向的界面(垂直界面)对薄膜物理性质有更直接、更强的调制作用，但现在这方面的研究还处于起步阶段。本项目计划在制备基于BiFeO3以及BaTiO3材料的自组织生长、纳米有序垂直复合薄膜的基础上，通过与单相BiFeO3(BaTiO3)薄膜的比较，分析垂直界面对物理性质的作用。并通过调制复合薄膜的微结构以及组分，调制垂直界面应变与总垂直界面积，进而研究这两种关键因素影响材料铁电、介电与漏电性质的机理。再结合理论模型的建立，深入理解垂直界面效应，及其与水平界面效应的区别与联系。最终在理解作用与机理的基础上对垂直界面效应进行控制，以达到增强薄膜铁电性的目的。

界面是决定氧化物薄膜丰富物理性质的关键因素，现有的关于界面效应的工作基本上都集中于研究薄膜与基片间界面或多层膜中层与层之间界面（这些界面平行于基片表面，定义为水平界面）。受限于界面作用的机制，水平界面效应只能在很薄的薄膜中观测到，这使得氧化物薄膜的应用范围受到很大的限制。在本项目的研究中，我们通过材料的选择和设计，用自组装的方式得到的垂直有序复合薄膜，其中两相材料之间的界面垂直于基片表面，定义为垂直界面。我们发现通过垂直界面，一个相可以在垂直方向来控制另一相的应变和晶格结构，这改变了界面作用的机制。具体进展如下。.1. 垂直应变调控多重铁性。我们系统研究了垂直界面对BiFeO3和EuTiO3等材料的作用，发现可以通过垂直界面获得水平界面无法得到的强应变，使得EuTiO3从反铁磁-顺电变成铁磁-铁电共存的多铁材料。.2. 垂直应变调控氧化物薄膜自组装。我们用脉冲激光沉积法制备了(YBa2Cu3O7-δ)1-x:(BaZrO3)x 复合薄膜，并通过应变的产生与弛豫，将复合薄膜自组装形成的微结构从垂直有序调制到水平有序。.3. 氧空位定量测量及其对物性的影响。我们发现可以通过氧空位同时调控材料的磁、电有序，使得(Eu,Ba)TiO3材料从反铁磁-铁电共存转换成铁磁-铁电共存的多铁材料，并将其铁电居里温度提高至室温以上，使得(Eu,Ba)TiO3材料的应用成为可能。.4. 垂直界面对铁电薄膜漏电电流的作用。我们结合导电原子力显微镜的手段，开展了垂直界面局域电输运机理的研究；发现垂直界面是复合铁电薄膜中主要的漏电通道，其电输运行为与铁电薄膜中畴壁的相关行为类似。. 我们的工作通过改变界面作用的机制，解决了厚度限制界面效应这一根本问题，开发了一种调控氧化物材料功能性的有效手段。项目完成后共发表论文7篇，另有两篇文章已被接收待发表。这些文章中包括Advanced Functional Materials 1篇，Scientific Reports 2篇，Applied Physics Letters 2篇。同时发表专著章节一章，在国际会议上作邀请报告4次，并在本项目研究工作的基础上主持国家自然科学基金两项、教育部项目一项。项目共培养博士研究生2名、硕士研究生3名。其中有两名硕士生已毕业。学生当中有1人次获得国家奖学金，两人次获得江苏省普通高校研究生科研创新计划项目资助。