鐵電氧化物具有可翻轉(zhuǎn)的自發(fā)電極化，與力、電、光等外場耦合產(chǎn)生豐富的壓電、鐵電、熱釋電等性能，可廣泛應(yīng)用于信息存儲、傳感、探測與成像等領(lǐng)域。同時，高質(zhì)量鐵電氧化物單晶薄膜的設(shè)計與控制生長也為鐵電渦旋極化、斯格明子、負電容、隧道結(jié)電阻等新穎物理效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。在過去二十年中，這類薄膜材料主要采用高溫(>600oC)氣相外延技術(shù)來制備。然而，該技術(shù)結(jié)晶溫度較高，元素揮發(fā)與界面互擴散不可避免，一定程度限制了鐵電薄膜器件的研發(fā)與規(guī)模化應(yīng)用。因此，研究揭示鐵電氧化物單晶薄膜的低溫外延生長與調(diào)控機制、發(fā)展其低溫、高效制備技術(shù)，是該領(lǐng)域重點突破的方向之一。
近日，浙江大學(xué)材料學(xué)院韓高榮教授、任召輝副教授課題組聯(lián)合田鶴教授課題組，在鐵電氧化物單晶薄膜的溶液外延策略、生長機制與光電性能調(diào)控方向取得重要進展，相關(guān)工作以“Solution epitaxy of polarization-gradient ferroelectric oxide films with colossal photovoltaic current”為題發(fā)表在2023年4月24日出版的《Nature Communications》上。
圖1 電子極化屏蔽驅(qū)動單晶、單疇PbTiO3薄膜的溶液外延
圖2 PbTiO3薄膜的二維類層狀生長模式
圖3 PbTiO3薄膜的界面極化屏蔽和極化梯度結(jié)構(gòu)
圖4 極化梯度PbTiO3薄膜的光伏性能
在這項工作中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)氣相外延的機制不同，界面晶格失配度并非低溫外延生長的熱力學(xué)主導(dǎo)因素；揭示了薄膜-襯底間的電子極化屏蔽在調(diào)控界面能和外延生長模式中的關(guān)鍵作用，提出了極化屏蔽驅(qū)動的鐵電氧化物薄膜低溫(100 oC-200oC)溶液外延新策略，解決了系列晶格失配度鐵電氧化物低溫外延的難題；獲得PbTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、BiFeO3等單疇、梯度結(jié)構(gòu)鐵電氧化物薄膜材料，并在這類梯度結(jié)構(gòu)薄膜中發(fā)現(xiàn)了巨大的、可被極化方向調(diào)制的體光伏電流，其光響應(yīng)度為目前鐵電氧化物材料的最優(yōu)值。
這些進展為鐵電氧化物單晶薄膜材料的低溫溶液外延生長提供了普適性策略，實現(xiàn)了系列鐵電氧化物薄膜的可控制備，將為鐵電氧化物材料新穎物理性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)以及其無源電光探測器、光伏和光電子器件的實際應(yīng)用開拓新的方向。
浙江大學(xué)材料學(xué)院博士生林宸、張子君以及賓夕法尼亞大學(xué)化學(xué)系代振邦博士為論文的共同第一作者，浙江大學(xué)材料學(xué)院任召輝副教授、田鶴教授和韓高榮教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、NSFC-浙江省兩化融合聯(lián)合基金、浙江省杰出青年基金、硅及先進半導(dǎo)體材料全國重點實驗室的大力支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37823-z
