功能氧化物异质界面结构的亚埃尺度研究

Physical properties of heterostructures are strongly affected by the interface between perovskite oxides. The occurrence of interface coupling in the heterostructures through controlled synthetic routes could lead to not only new phases, but also novel properties, including superconductivity, magnetism, metal-insulator transition. Nevertheless, the interface structure determined by conventional methods (e.g., synchrotron x-ray diffraction) could not uniquely define the interface structure at the atomic scale and validate the structure model used in theoretical calculations concerning the complex of heterointerface. In this work, by means of high-resolution negative spherical aberration (Cs) imaging technique and high-resolution high-angle annular dark-field imaging in aberration-corrected ultra-high resolution electron microscopes, interfaces of heterostructures of BiFeO3 ferroic and (Ba,Sr)(Ti,Zr)O3 ferroelectric oxides epitaxially grown on various substrates (e.g., SrTiO3, LaAlO3 and NdGaO3) will be studied systematically. Interface structure, strain relaxation and interfacial diffusion in the functional oxide heterostructures will be characterized at the sub-Angstrom resolution level. The finding in this work will be helpful not only to explore the mechanism of interface coupling at the atomic scale, but also to build the relation between the interface structure and the novel properties of the heterostructures. In addition, the finding in this work will be helpful to understand the effect of heterointerfaces on the formation of domain within BiFeO3 thin films, and finite size effect in (Ba,Sr)(Ti,Zr)O3 thin films.

由钙钛矿结构的氧化物组成的异质界面对材料的物理性能有非常重要的影响。由于界面耦合效应在异质界面区域不但可能会有新物相的产生，而且可能会有奇特物理现象的出现（如超导特性、磁性、金属-绝缘体转变）。然而，目前的常规实验分析方法（如同步辐射X射线衍射）不能在原子尺度上描述复杂异质结构的界面结构和考察理论计算中使用的界面原子模型的有效性。 本项目拟利用像差校正电子显微术中的负球差成像技术和高角环形暗场像技术等手段对BiFeO3多铁氧化物和(Ba,Sr)(Ti,Zr)O3铁电氧化物外延生长在不同衬底上的异质结构的界面进行系统研究。在亚埃尺度研究异质结构体系中界面的原子构型和界面应变等科学问题。项目的完成不仅将有助于在原子尺度揭示异质结构的界面耦合机制，而且将较深入地认识界面对多铁性氧化物薄膜中的畴结构，以及对铁电氧化物薄膜的界面尺寸效应的影响。同时，有助于理解异质界面结构与物理特性的内在联系。

氧化物薄膜材料在电子器件，例如非易失性铁电随机存取存储器和高密度动态随机存取存储器，具有非常重要的应用前景。其中，由钙钛矿结构的氧化物组成的异质界面和薄膜中的缺陷对于材料的物理性能有非常重要影响。例如，由于界面耦合效应不但可能导致异质界面处有新物相的产生，而且可能引起奇特的界面物理现象（如超导特性、磁性、金属-绝缘体转变）。然而，目前的常规实验分析方法（如同步辐射X射线衍射）不能在原子尺度上描述复杂异质结构的界面结构和考察理论计算中使用的界面原子模型的有效性。. 本项目拟利用像差校正电子显微术中的负球差成像技术和高角环形暗场像技术等手段对功能性氧化物（例如，多铁材料，铁电和铁磁氧化物）外延生长在不同衬底上的异质结构的界面进行系统研究。在亚埃尺度研究异质结构体系中界面的原子构型和界面应变，以及薄膜中影响材料使役性能的缺陷结构等科学问题。项目的完成不仅将有助于在原子尺度揭示异质结构的界面耦合机制，而且将较深入地认识界面对功能氧化物薄膜中的畴结构以及对铁电氧化物薄膜的界面尺寸效应的影响；同时，考察界面/缺陷等对材料性能的影响。项目的实施有助于理解薄膜材料中显微结构与物理特性的内在联系。