浙江大学Advanced Materials: 静电力驱动的氧化物异质外延与界面调控

【引言】

钙钛矿氧化物及其异质结具有多层次的物理及化学性质，如铁电性、铁磁性以及超导性等，这已经成为当今凝聚态物理和材料科学领域的热点课题之一。其中,钙钛矿铁电氧化物因其独特的铁电极化性能和极化屏蔽性能，这已被广泛地研究及应用。然而，铁电氧化物极化表面对异质结生长的调控作用以及界面微结构、性能的关联尚不清楚。因此,基于铁电极化设计并构建钙钛矿氧化物的异质结、系统研究异质结的生长与调控、界面屏蔽机制及其功能性，这将为新型光电、磁性、催化、传感等方面的拓展应用提供重要的理论支持。

【成果简介】

近日，浙江大学韩高荣教授、任召辉副教授课题组与张泽院士、田鹤研究员课题组通力合作，设计并发展了一种以铁电极化表面静电力来驱动氧化物外延生长，从而制备高质量铁电氧化物异质结的新方法。研究人员设计在PTO铁电表面外延生长不同组分、结构以及应变的氧化物(Ti0₂/PTO、STO/PTO以及BFO/PTO)，利用水热法成功制备出具有原子级平整界面的氧化物异质结,外延生长均发生在单畴PTO的正极化面上。这说明了铁电极化调控外延生长的这种方法是具有较好的普适性，其生长的界面与传统方法如PLD、MBE等所得界面基本无差别。相关的研究成果以题为“Electrostatic Force-Driven Oxide Heteroepitaxy for Interface Control”发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1：设计不同的氧化物异质结界面

(a-c):TiO₂/PTO,STO/PTO以及BFO/PTO异质结结构的侧视图；

(d-g):异质结匹配模型中PTO、 Ti0₂、STO以及BFO外延生长晶面的俯视图。

图2：原子分辨切片横截面的HAADF-STEM图

(a-c):TiO₂/PTO，STO/PTO以及BFO/PTO异质结，每张图中的黑色箭头指向其异质结界面原子层；

(d-f):垂直于每个异质结HAADF-STEM图界面的强度线。

图3：纳米片正极化面处原子级分辨的HAADF-STEM图及位移大小变化

(a-c):分别为TiO₂/PTO、STO/PTO和BFO/PTO纳米片正极化面处原子级分辨的HAADF-STEM图；

(d-f):分别对应于TiO₂/PTO、STO/PTO和BFO/PT原子位移大小变化。

图4：STO/PTO界面电子能量损失谱及STO/PTO异质结生长模型

(a):STO/PTO异质结的原子级别的HAADF-STEM图像；

(b):STO/PTO异质结界面电子能量损失谱图；

(c):STO/PTO异质结构生长模型的示意图，浅蓝色虚线箭头表示电子的转移方向，其中步骤2中的灰色箭头表示去极化场E_DEP。

【小结】

本论文以钙钛矿铁电氧化物及其异质结的生长、微结构及性能表征为核心，提出了通过铁电极化表面静电力驱动外延异质结生长的方法，开展了钙钛矿铁电氧化物的微结构、铁电极化、极化屏蔽与性能之间的关联性的研究。以单晶PTO纳米片为基体系统研究了铁电极化表面静电力对于TiO₂晶体生长的影响，并阐明了生长机制。并将此方法应用到STO/PTO以及BFO/PTO体系中。这一发现将对铁电氧化物异质结的设计与制备起到重要的指导意义。任召辉副教授为该论文第一作者，韩高荣教授、田鹤研究员为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、973项目、青年千人项目、“111计划”和硅材料国家重点实验室的大力支持！

【文献链接】 Electrostatic Force–Driven Oxide Heteroepitaxy for Interface Control（Advanced Materials，2018；DOI: 10.1002/adma.201707017）

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