科研進展

深圳先進院利用溶液法實現復雜氧化物大面積外延薄膜生長

時間:2019-11-13  來源:納米調控 劉聰 文本大小:【 |  | 】  【打印

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院醫工所納米調控與生物力學研究中心在復雜氧化物大面積外延薄膜生長領域取得重要進展,相關成果以“Large-scale multiferroic complex oxide epitaxy with magnetically switched polarization enabled by solution processing”(大面積磁致鐵電翻轉多鐵復雜氧化物外延薄膜的溶液法制備)為題發表在自然科學領域重要期刊National Science Review(《國家科學評論》影響因子13.222)上。深圳先進院納米調控研究中心博士生劉聰為論文第一作者,客座博士生安峰為共同第一作者,深圳先進院納米調控研究中心主任李江宇研究員、賈婷婷副研究員、鐘高闊博士及湘潭大學材料科學與工程學院謝淑紅教授為共同通訊作者。

  在新材料研究中,外延應力調控和化學組分調控是兩種主要手段。一方面,襯底外延應力調控下制備的高質量單晶外延薄膜為許多基礎物理機制的研究提供了干凈的體系,并且具有介電、應變、尺寸效應等多種調控維度,對納米器件的設計與制備也具有重要的意義。另一方面,通過調節化學組分摻雜得到的復雜氧化物體系常常顯示出優異的性能,例如HgBaCaCuO體系中的高溫超導現象、LaCaMnO體系中的巨磁阻效應、KNNS-BZ-BKH體系中的巨壓電效應,以及BTFM-CTO體系中的室溫磁電耦合效應等。

  然而魚與熊掌往往不可兼得,對于目前普遍用于外延薄膜生長的物理氣相沉積技術,要制備復雜氧化物外延薄膜十分困難,面臨著工藝探索周期長、生長窗口窄、參數穩定性低等諸多問題。

  深圳先進院李江宇教授課題組,發展了適用于(1-x)BiTi(1-y)/2FeyMg(1-y)/2O3-(x)CaTiO3(BTFM-CTO)體系室溫多鐵固溶體的溶液法大面積外延薄膜制備工藝,充分體現了溶膠凝膠法簡單快速、成本低廉、成分調控均勻靈活等特點。在復雜氧化物外延薄膜研究及應用方面展現出巨大的潛力和優勢,并易于與工業生產相結合,助力提升新型復雜氧化物材料器件化的發展速度。

  研究者使用掃描透射電鏡(STEM)、壓電力顯微鏡(PFM)、二次諧波發射(SHG)等測試手段,從不同的空間尺度表征了BTFM-CTO室溫下的強自發鐵電極化;結合X射線磁圓二色譜(XMCD)、極化中子反射(PNR)、超導量子干涉儀(SQUID)多種磁性測試方法,充分證明了其室溫弱鐵磁性質,并通過VFM-PFM觀察到BTFM-CTO外延薄膜在外加磁場變化下的面內極化翻轉。

  BTFM-CTO固溶體在準同型相界附近的強鐵電極化和室溫弱鐵磁性以及新穎的磁電耦合現象,為室溫多鐵材料的研究指引了新的方向和目標。對于磁控電物理機制的探索將是該體系中最為重要的物理問題,亦為研究者提供了新型磁電耦合器件設計的空間。

  上述工作得到國家重點研發計劃納米科技重點專項和國家自然科學基金等項目的資助。

  論文鏈接 

 

溶液法制備室溫多鐵外延薄膜的結構和性質表征

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