多铁性薄膜材料的畴界与界面结构研究

多铁性材料是目前国际研究热点之一，有重要的应用前景。微观结构特别是畴界的行为，薄膜与基体的界面，以及功能复合薄膜组元相之间的界面耦合对其性能有着重要的影响，但目前还缺乏深入细致的结构分析工作。本项目将在申请人近期初步工作的基础上，综合应用高分辨电子显微学和高空间分辨分析电子显微学，并结合像模拟、电子衍射模拟、以及电子能量损失谱的分析计算，在原子尺度研究复杂铁电薄膜的极化位移分布，多铁性复合薄膜的相分离、界面化学与电子结构、以及界面应力应变状态及其与磁电耦合的关系。不仅为研究铁电薄膜的极化反转和尺寸效应，以及复合功能薄膜材料的磁电效应等科学问题提供关键的定量结构信息；同时也促进相关材料的设计和性能优化，为电子、信息存储、半导体等工业的持续发展打下基础。

多铁性材料是目前国际研究热点之一，有重要的应用前景。微观结构特别是畴界的行为，薄膜与基体的界面，以及功能复合薄膜组元相之间的界面耦合对其性能有着重要的影响，但目前还缺乏深入细致的结构分析工作。本项目重点针对复杂菱面体结构的铁电薄膜畴界和垂直自组织纳米复合氧化物薄膜，综合应用高分辨电子显微学和高空间分辨分析电子显微学，并结合像模拟和电子衍射模拟，在原子尺度研究复杂铁电薄膜畴界附近的原子构型及位移分布，多铁性复合薄膜的相分离、组成形态、取向、界面结构以及界面应力应变状态，探索了多种垂直自组织复合氧化物薄膜的取向调控机制。具体地，研究了复杂菱面体畸变钙钛矿结构BiFeO3铁电薄膜的畴界取向及原子结构，定量分析原子位移进而揭示畴界极化位移分布，首次得到基于原子尺度的菱面体畸变的钙钛矿铁电畴结构，为研究铁电薄膜的极化反转和尺寸效应，提供关键的定量结构信息。另外，本项目选取垂直自组织钙钛矿-尖晶石BiFeO3-CoFe2O4/NiFe2O4异质薄膜作为模型材料，重点研究了具有全新取向关系和界面原子结构的取向调控机制。纳米复合结构均长在具有（001）c取向的钙钛矿衬底上。我们选择了三种不同的衬底，一个是理想钙钛矿SrTiO3,另两个是正交畸变的钙钛矿结构DyScO3和NdGaO3。薄膜中两相均自发分离，外延生长在不同衬底上，具有很好的结晶性。在这三种材料体系中，CoFe2O4纳米柱分别呈现出金字塔方块、纳米板状、三角形棱台三种不同的形貌贯穿地镶嵌在BiFeO3基体中。与以往大量报道的立方-立方取向关系不同，CoFe2O4纳米柱分别被调控为[001], [011],和[111]取向，而BiFeO3基体却仍以[001]取向与衬底匹配。全新的取向关系及纳米构型也产生了新的异质界面结构。分析认为，在这种复杂的复合体系中，晶体结构连续性、界面能、弹性能等因素均会影响异质结构的生长以致产生新的调控。考虑到具体衬底的特性，其中一种因素会起到重要的作用如结构畸变大小或晶格失配程度等。我们目前的工作提供了一种有效的探索多种异质复合结构的调控方式，为促进相关材料的设计和性能优化提供可行方法。