近日，我院薄膜物理与器件团队在铁电薄膜界面应变工程领域取得新进展。相关工作“Ultra-thin cubic Ti3Al buffer/template layer achieving giant polarization of epitaxial Pb(Zr0.40Ti0.60)O3film”发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》，我院郭建新博士、硕士研究生王富和朵志金为论文共同第一作者，郭建新博士和闫小兵教授为共同通讯作者。
界面应变工程对于金属氧化物薄膜至关重要，它会直接影响功能材料的物理性能。特别是，由衬底施加的应变对多功能材料的磁阻、铁电性和光电特性产生重大影响。对于钙钛矿氧化物而言，高四方性（c/a）可以因其较大的偶极矩而诱导出更高的铁电极化，这通常通过衬底施加的大幅压缩应变来实现。然而，受应变的铁电薄膜与衬底之间的晶格失配往往会导致位错的形成，这是铁电性能退化、高漏电流的一个重要因素。目前，对于最先进的外延生长技术，施加应变的典型水平仍然限制在大约3%，超过这个限度通常会导致界面处的松弛和位错阵列形成，这主要是因为作为常见衬底的金属氧化物和铁电薄膜具有高的杨氏模量，导致铁电薄膜界面处的晶格失配并发生错位。在国际上，为了改善晶格失配和减少位错等问题，通常会采用更换衬底、底部电极材料或者引入缓冲层来解决界面缺陷问题，但都没有达到足够高的铁电极化效果。因此，团队提出了一种创新性策略，通过引入超薄的“软缓冲层”（Ti3Al）来大幅增强铁电极化，这是由于Ti3Al是一种典型的金属间化合物，具有高比强度、高熔点和优异的环境及蠕变抗性等特性以及在x/y方向上具有小的弹性模量。这种方案可以有效降低界面位错，并增加铁电薄膜的四方性，从而显著提升铁电极化及其整体物理性能。引入Ti3Al缓冲层的PZT电容器展现了显著的剩余极化（Pr），在5.00 V的施加电压下达到131.93 μC/cm²，这是目前所研究的铁电薄膜PZT中报道的最高值。此外，在这项工作中，我们也证明了PbZr0.40Ti0.60O3薄膜在(001) SrTiO3衬底上具有优异的c轴取向外延结构。本工作所提出的方法为外延PZT薄膜提供了一个引人注目的选择，并且也可用于增强其他功能薄膜材料的物理性质。
该研究工作得到了国家重点研发计划“纳米前沿”重点专项、国家科技重大专项培育项目、国家重点研发计划颠覆性技术创新项目、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、河北省重点研发计划、区域创新发展支持重点项目、河北省燕赵青年科学家项目、河北省青年拔尖人才支持计划、河北大学自然科学跨学科研究计划、生命科学与绿色发展研究所、河北省自然科学基金、保定市科技计划项目、河北大学优秀科研创新团队、国家高层次人才专项支持资金、河北省高层次人才资助项目、河北大学高层次人才培育计划以及河北省教育厅科技项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415919
