北京科技大学新材料技术研究院、北京材料基因工程高精尖创新中心的研究团队设计一种新型的层状结构材料，采用一种简单的溶液外延生长方法，获得超薄（低至1nm）铋氧化物薄膜，并稳定呈现出高的宏观铁电性能。研究成果以“Ferroelectricity in layered bismuth oxide down to 1 nanometer”为题，于2023年3月24日发表在《Science》期刊上。北京科技大学为第一研究单位，新材料技术研究院博士研究生杨倩倩为本论文的第一作者，张林兴教授和田建军教授为通讯作者，本工作得到了邢献然教授和陈骏教授等人的指导。
图1 本期杂志封面
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图2 主要研究成员团队照
原子尺度的高密度电子器件，如低维场效应晶体管、纳米级低功耗逻辑和非易失性存储器等，在未来科技发展中具有重要意义。其中，高质量原子尺度铁电外延薄膜的制备是超尺度、高密度电子器件发展的关键环节。近年一些研究报道了原子尺度的铁电薄膜，例如，具有巨大极化的3个单晶厚的自支撑BiFeO3薄膜 (Nature, 2019, 570, 87)，具有增强铁电性的1纳米Hf0.5Zr0.5O2薄膜 (Nature, 2020, 580, 478)，以及通过降低维度并且利用隧道电阻滞后曲线实现了铁电性的亚纳米级ZrO2薄膜 (Science，2022,376,648)。然而，这些原子尺度的薄膜都没有通过电场极化测试来证明宏观铁电滞回线，这是铁电性真实存在的直接证据，也直接决定了它能否应用于电子器件。此外，原子尺寸外延薄膜通常采用分子束外延、激光气象沉积以及气相外延成绩实现，存在成本高等问题。
图3 单晶基底上外延生长的层状铋氧薄膜及其晶体结构特征
本工作以萤石结构Bi2O3为基体（图3），调整其Bi-O层数，得到一系列以铋氧为骨架的层状结构m (Bi-O) (m=3, 5, 7)。通过使用基因遗传算法搜索Bi6On (n=6-12)单胞中每组原子的最低能量的排列，确立Bi6O9层状结构，该结构的生成能明显低于其他化合物，而且具有较宽的禁带宽度和最稳定的结构。引入Sm元素有效稳定了低维下的层状结构（BSO），实现低至1 nm时该结构仍然稳定存在，并且呈现出标准铁电滞回线以及优异的铁电性能。当厚度为1~4.56 nm时，具有较大的铁电剩余极化（17~50 μC?cm-2）（图4）。PFM测试结果呈现出明显的相翻转。密度泛函理论（DFT）指出该薄膜的铁电性是由Bi-O孤对电子引起而不是基底应力导致，从而具有稳定的铁电性能。
图4 薄膜的宏观铁电性
本工作的溶液工程外延薄膜技术，可以在多种基底上实现该体系层状结构薄膜，如价格低廉的Al2O3和钙钛矿SrTiO3基底上。薄膜和基底呈现明显的外延生长关系，并且所得薄膜具有高结晶质量和原子级平整表面，体现了本工作制备技术的普适性。因此，这项工作对于原子尺度薄膜的制备及原子尺度高密度电子器件的发展均具有重要意义，所开发的制备技术也表现出很好的应用前景。
北京工业大学博士生胡敬聪和西班牙巴斯克大学方跃文研究员为共同第一作者，北京工业大学卢岳副研究员为共同通讯作者，合作单位还有以色列特拉维夫大学、上海交通大学、明升官网科技大学和明升官网明升体育app院等单位。
原文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5134
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