铁电薄膜界面效应中点缺陷作用的原子尺度研究

Point defects, such as oxygen vacancy and metal ion vacancy, are generally present in the thin films of functional oxide. The configuration of these vacancies and the resultant microstructural characteristics are of critical importance in tuning the physical propteries at the interface. In this proposal, we will aim at ferroelectric PbTiO3, BiFeO3, and PZT thin films and focus on the atomic imaging of the point defects at ferroelectric domain walls and heteroepitaxial interfaces. The aberration-corrected high resolution transmission electron microscopy and the high resolution electron energy loss spectroscopy (EELS) will be extensively applied in this project. We will combine atomic imaging, EELS analysis and theoretical calculations and clarify the role of point defect in interfacial properties, oxygen octahedron distoration, nano-scale phase separation and variety of valence state of metals. By directly visualizing oxygen vacancy and metals with variant valence states, we expect to establish the relationships between the interfacial effect and variant kinds of point defect. The project to be accomplished will be helpful for understanding the novel two-dimensional interfacial behaviors, and it will also deliver some atomic scale inforamtion for developing new perovskite-based functional interfaces.

氧空位和金属离子空位等点缺陷在钙钛矿结构氧化物功能薄膜中不可避免，其赋存状态和结构特性对界面物理性能具有至关重要的影响。本项目拟在生长高质量氧化物界面结构的基础上，将像差校正透射电子显微术、高分辨率电子能量损失谱技术与理论计算有机结合，以基于PbTiO3、BiFeO3和PZT等铁电薄膜构成的器件界面为主要研究对象，以在铁电畴壁位置及铁电极化调控下异质界面处氧空位和金属离子空位等点缺陷的赋存状态和结构特性为主要研究内容，通过在原子尺度获得氧空位等点缺陷存在形式、分布等原子结构以及界面诱导的金属阳离子价态变化与配位等电子结构信息，结合相应的理论计算，解析点缺陷在界面新功能特性、氧八面体畸变、纳米相分离以及电子自旋排布变化等物理属性中的作用，以期揭示界面效应中点缺陷微观作用机制。项目的完成不仅有助于系统性理解钙钛矿新奇二维界面效应及其调控机制，更为探索研发新型钙钛矿功能界面提供重要的结构数据。

钙钛矿氧化物铁电薄膜同质或异质界面由于晶格、电荷、自旋、轨道等多种序参量的耦合，呈现出不同于材料本征的磁、电、光等物理性能，极大地丰富了其在电子器件中的潜在应用。氧空位和金属离子空位等点缺陷在钙钛矿铁电薄膜中不可避免，其赋存状态和结构特性对界面物理性能具有至关重要的影响。本项目成功制备了一系列氧化物外延异质结，通过像差校正透射电子显微术、电子能量损失谱、压电力显微镜以及结合第一原理及相场模拟计算，从原子尺度解析了若干外延异质体系同质或异质界面点缺陷的原子、电子结构，以及界面效应诱导的新奇物理特性。本项目运行期间，利用原子尺度分辨能力的像差校正透射电子显微术，通过界面效应和应变工程，在超薄铁电薄膜中不仅发现面内汇聚型和面内发散型半子，而且发现反半子结构。通过对像差校正原子图谱中离子位移的定量分析，发现半子和反半子按照一定的规律形成二维晶格。相场模拟表明形成半子晶格有利于降低体系的弹性能，从而使得包含半子晶格的模型比随机分布的半子模型能量更低（Nature Materials, 2020）。该项工作进一步完善了通过失配应变调控铁电材料拓扑畴结构的重要性和有效性，对探索基于铁电材料的高密度非易失性信息存储器件具有重要意义。此外，通过异质界面的构筑，发现氧空位诱导的铁电异质界面极化极大增强现象(Nano Letters, 2017)和界面电荷转移诱导的超薄铁电薄膜极化增强现象(Advanced Materials, 2017)；项目执行期间利用高通量薄膜沉积技术，通过调控界面位错的柏氏矢量，成功构筑出具有巨大线性应变梯度、超低弹性能以及特殊物理特性的氧化物铁电纳米结构(Nature Communications 2017)。该项工作改变了人们对功能材料中有关位错作用的传统认识：位错未必是一定导致某些物理特性降低的结构缺陷，而是能被用来有效调控甚至产生优异物理特性的新组元。项目执行期间在包括Nature Materials、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters 等国际知名学术期刊上发表学术论文59篇。