BiFeO3多铁性纳米岛低维量子结构的可控制备、多铁性能调控及铁性畴结构研究

本项目拟开展BiFeO3多铁性纳米岛低维量子结构的可控制备、多铁性能调控及铁性畴结构研究。将化学自组织法和氧化铝纳米有序孔模板技术有机地结合，在单晶衬底上实现BiFeO3外延多铁性纳米岛的可控制备；综合表征其多铁性能并阐明物性尺寸效应规律；探讨外（电、磁和应力）场与纳米岛量子结构的相互作用规律以及对量子态的调控机制；利用原子尺度（轻、重）元素选择成像电子显微学技术，揭示多铁性纳米岛铁性畴结构特征及其随纳米岛几何尺寸（横向及高度）和界面晶格应变的演化规律; 在畴结构层面上阐明BiFeO3纳米岛量子结构中磁-电耦合效应的微观物理机制；利用球差校正的原子分辨率透射电镜和电子能量损失谱等技术，在原子尺度揭示多铁性纳米岛与单晶衬底之间的界面精细微结构以及铁性畴壁精细微结构; 阐明(铁性畴壁及界面)精细微结构对磁-电耦合效应的内禀影响物理机制，为设计和开发新一代量子调控器件提供物理及技术基础。

近年来，随着微电子器件的日益小型化及多功能化，其特征尺寸已进入纳米尺度，半导体器件结构已演变为一种受限的纳米量子结构。在受限的多铁性BiFeO3 纳米岛量子结构存储器件中，BiFeO3 纳米岛低维量子体系中的不同有序态（如铁电序、轨道序、（反）铁磁序、电荷序等）以及不同序参量耦合下的量子行为和量子相变，将呈现出与三维结构十分迥异的新型量子效应和新颖耦合机制，这为人们研制和开发新型量子调控器件，提供了新机遇。目前，人们迫切需要在纳尺度认识 BiFeO3 多铁性纳米岛低维量子体系中不同有序态的量子特性及其调控机理。本项主要研究内容为BiFeO3 多铁性纳米岛低维量子结构的可控制备、多铁性能调控及铁性畴结构研究。利用化学自组织法和氧化铝纳米有序孔模板技术有机地结合，在SrTiO3 (100)及Nb-掺杂 SrTiO3 (100) 单晶衬底上制备了外延BiFeO3纳米岛, 并利用X射线衍射、选区电子衍射、扫描电子显微镜和原子力显微镜对纳米岛的相结构及形貌进行了表征。在650oC - 800oC下后退火1小时获得外延的BiFeO3纳米岛，岛横向尺寸在50 - 150 nm之间, 纵向尺寸在6 - 12 nm之间。随着纳米岛后退火温度的升高, 其(100)面内的几何形貌由三角形状转向四边形状，然后再趋向于长棒状。利用压电力显微镜, 对单个BiFeO3纳米岛(横向尺寸 ~ 50 nm，高度12 nm) 的铁电特性进行表征。结果表明, 单个外延BiFeO3纳米岛内存在分形铁电畴和自偏压极化现象, 其中自偏压极化现象来源于外延BiFeO3纳米岛与SrTiO3单晶衬底之间的界面应力。采用溶胶-凝胶工艺结合氧化铝模板及透射电镜平面样品制备技术，获得了BiFeO3纳米环结构。利用扫描透射电子显微（STEM）及EDX 能谱分析技术对BiFeO3纳米环结构进行了表征。纳米环STEM像衬度线扫描的强度分布图揭示BiFeO3纳米环的位置，纳米环的内径约为170 nm, 环厚约20 nm；EDX 能谱分析表明BiFeO3纳米环在氧化铝模板空洞内壁处形成，定量的EDX数据测量结果表明纳米环的化学组成为BiFeO3。利用原子分辨率透射电镜和电子能谱等技术，在原子尺度揭示了多铁性纳米岛与单晶衬底之间的界面精细微结构以及铁性畴壁精细微结构, 为设计和开发新一代量子调控器件提供物理及技术基础。