Nature子刊：具有永久铁电保持性的铁酸铋介观晶体

【引言】

铁电存储器是一种在断电时不会丢失信息的非易失存储器，具有高速度、高密度、低功耗和抗辐射等优点，其在移动电话、嵌入式微处理器、航空航天和军事应用等领域显示出极大的发展潜力和良好的应用前景，从而受到各国科技界和产业界的广泛关注。基于磁电多铁材料开发的非易失存储器，被认为是下一代超越现在常规器件的电子设备，但其距离应用仍有一定的距离，当前其疲劳、印记失效、保持性能损失等问题亟需解决。

【成果简介】

近日，来自台湾交通大学的朱英豪（通讯作者）等人设计出了一种新的模型体系，将BFO（BiFeO₃）介观晶体嵌入CFO（CoFe₂O₄）基质中，利用弹性能成功解决了BFO材料中保持性能损失的问题，让BFO铁电存储器向应用进了一大步。

他们使用激光脉冲沉淀技术制备BFO（111）介观晶体，使用的靶材BFO和CFO的摩尔比为2:1，由于CFO (111) 和基底STO（111）的表面能之差小于BFO (111) 和基底STO（111）的表面能之差，实验自然会形成BFO介观晶体嵌入CFO基质的结构。实验结果表明合适厚度和尺寸的BFO介观晶体，在经过1.4×10⁴ h的时间，剩余极化强度并未发生太大的变化，具有很好的保持性能。

这项工作为解决铁电存储器保持性能损失这一关键问题提供了一种新的方法，其相比于以前解决该类问题的金属-铁电材料-金属电容结构，在电路小型化等方面更具优势。该工作在铁电存储器和智能设备的发展中有着重要的意义。

【图文导读】

图1. 极化转向过程和应变对极化转向影响的模拟

图a是PZT极化转向的原理模拟图。

图b是BFO（111）极化转向的原理模拟图。

图c是BFO（111）在不同频率下转向极化强度与电场的PE回线图。

图d是BFO（001）在不同频率下转向极化强度与电场的PE回线图，其中黑线、红线、蓝线、紫线分别代表电场频率为1MHz、100kHz、10kHz、1kHz。

图e是在无压力边界条件下极化转向总的自由能和转向路径的关系，在71°转向过程中转向方向从[111]转到[11]，最后转到[110]方向，在180°转向过程中转向方向从[111]转到[000]，最后转到[]方向。

图f是在BFO薄膜中极化转向的势垒与外延应变的关系，其中实线代表180°转向而虚线代表71°转向。

图2. 设计制备的BFO介观晶体的结构和观察到的保持性能行为

图a是BFO（111）介观晶体结构模拟图。

图b是BFO（111）纳米单晶的平面图和这种BFO（111）介观晶体嵌入CFO基质结构的横截面TEM图。

图c是对STO(111)进行高分辨X射线测试得到的XRD图谱，其中黑线代表BFO介观晶体厚度为120nm，红线代表BFO介观晶体厚度为80nm，蓝线代表BFO介观晶体厚度为40nm。

图d是极化转向后4400小时，材料在PFM面外模式下观察到图像。

图e是不同厚度的样品相位与电压的迟滞回线，黑线表示样品厚度为40nm，红线表示样品厚度为80nm，蓝线表示样品厚度为120nm。

图f表示不同厚度的BFO介观晶体剩余极化强度和弛豫（极化强度倒转）时间的关系。

图3. 不同的弛豫过程

图a是不同外形BFO介观晶体的原理图。

图b是弛豫演变过程的原理图。

图c表示不同尺寸的BFO介观晶体弛豫过程中随时间的变化。

图d是不同外形的BFO介观晶体弛豫过程的相场模拟图，其中白色的区域代表铁电畴向上，黑色的区域代表铁电畴向下，三角晶体和六边形晶体的横截面积分别是0.01和0.04μm²。在模拟过程中，材料的电学性能潜力一步步增长，而且模拟的结果和不同时间下实验的结果进行了对比。

图4. 极化保持性能损失机理

图a是不同尺寸的BFO介观晶体标准剩余极化强度与弛豫时间关系对比图谱，其中黑线代表样品厚度为80nm，横截面积为0.0181μm²，红线代表样品厚度为80nm，横截面积为0.0469μm²。

图b是极化相位随着电场变化的关系图谱，其中由矩形和圆形组成的虚线代表着实验数据，而黑线和红线代表相场模拟结果，黑色的矩形代表三角晶体、实验数据，黑线代表三角晶体、实验数据，红色的矩形代表六角晶体、实验数据，红线代表六角晶体、实验数据。

图c是不同形状的BFO介观晶体的矫顽场和侧面面积关系图谱，对应的矫顽场都是相同厚度的BFO介观晶体的数据，其中黑线代表三角晶体，而红线代表六角晶体。

图d是平均面外压力与侧面面积的关系图谱，其中黑线代表三角晶体，而红线代表六角晶体。

文献链接：Permanent ferroelectric retention of BiFeO₃ mesocrystal（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms13199）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

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