北京同步辐射装置助力层状氧化铋铁电超薄膜材料研究取得重要进展

原子尺度的高密度电子器件，如低维场效应晶体管、纳米级低功耗逻辑和非易失性存储器等，在未来科技发展中具有重要意义。高质量原子尺度薄膜的制备是超尺度、高密度电子器件发展的关键环节。其中，铁电材料因其丰富的物理特性是制备这些器件的核心材料，同时对超尺度器件的迫切需求促使原子尺度铁电薄膜的逐步探索。近几十年来，已经证明一些传统的钙钛矿氧化物体系和二维铁电系统，同时逐渐接近亚纳米尺寸，但是对于铁电性的证明基本都是基于微观证据，而未呈现宏观铁电性质。

北京科技大学张林兴研究员和田建军教授、北京工业大学卢岳教授(共同通讯作者)通过钐(Sm)取代设计了一种具有氧化铋层状结构的薄膜[Bi1.8Sm0.2O3(BSO)]，且通过溶胶-凝胶法将这种薄膜作为单相生长在(0001)Al2O3(AO)或(001)SrTiO3(STO)衬底上。研究表明，该材料具有厚度低至~1nm的标准铁电电滞回线，且厚度范围为1~4.56nm的薄膜具有17~50 μC/cm2的相对较大剩余极化。结合第一性原理计算，验证了该材料是一种孤电子对驱动的铁电材料，其超薄铁电薄膜的结构设计在原子级电子器件的制造中具备巨大的潜力。这些铁电薄膜，还呈现出相对较高的极化行为并有望成为各种应用的优异候选材料。

研究人员依托北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站的X射线衍射(XRD)测试和X射线反射(XRR)测试，对该薄膜的结构和厚度进行了系统研究，证实了薄膜得到了高质量的外延生长，同时说明薄膜的厚度可以精确的控制;并与1W1A-漫散射实验站的王焕华研究员、博士生王震合作拟合了CTR强度分布，结合STEM，对第一性原理的计算结构正确性进行了验证。

这项工作开发了新一代铁电薄膜，为小型化和高质量的电子器件制造带来了巨大的潜力。相关研究成果于2023年3月24日发表在国际顶级期刊《科学》上(Science, 379, 1218-1224)

图2. 宏观铁电表征

图3. Bi1.8Sm0.2O3，BSO薄膜的压电响应力显微piezoresponse force microscopy，PFM表征