垫铁

铁电材料因具有稳定的自发极化，且在外加电场下具有可切换的极化特性，在非易失性存储器、传感器、场效应晶体管以及光学器件等方面具有广阔的应用前景。与传统的三维铁电材料不同，二维范德华层状铁电材料表面没有悬空键，这可降低表面能，有助于实现更小的器件尺寸。此外，传统三维铁电薄膜的外延生长需要合适的具有小的晶格失配的基材，而在二维层状材料中，许多具有不同结构特性的层可以被堆叠并用于铁电异质结构器件，不受基底的限制，从而提供了广泛的铁电特性可调性。某些二维层状材料已在实验或理论上被报道为铁电材料，包括薄层SnTe、In2Se3、CuInP2S6、1T单层MoS2、双层或三层WTe2、铋氧氯化物和化学功能化的二维材料等。然而，目前对二维材料铁电畴结构的调控及铁电-反铁电相变等方面缺乏系统性研究，在范德华层状材料中实现连续的铁电域可调性和铁电-反铁电相转变仍是挑战。 　　近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员康黎星团队与中国人民大学教授季威团队、南方科技大学副教授林君浩团队、松山湖材料实验室副研究员韩梦娇合作，在新型二维铁电材料铁电畴结构的调控方面取得进展。该团队发现了一种具有室温本征面内铁电极化的新型二维材料Bi2TeO5，并观测到由插层铁电畴壁诱导的铁电畴大小、形状调控机制以及由此产生的铁电相到反铁电相的转变。科研人员采用CVD法合成新型的超薄室温二维铁电材料Bi2TeO5，通过压电力显微测(PFM)证实该材料存在面内的铁电畴结构，结合电子衍射及原子尺度的能谱分析和第一性原理计算结果对其结构进行解析，结合像差校正透射电镜对亚埃尺度的离子位移进行分析(图1)。对Bi2TeO5中畴结构的进一步研究发现，样品中存在大量的条状畴结构。原子尺度结构分析和计算结果表明，由于Bi/Te插层的存在，有效降低了畴壁的应变能，从而使得180°畴壁的条状畴能够稳定(图2)。研究表明，通过调控前驱体中Bi2O3和Te的比例可以有效实现180°铁电畴宽度的调控及实现铁电-反铁电相的反转(图3、图4)。此外，Bi/Te插层的引入除了能够改变铁电畴的大小，同时可以对畴壁的方向进行调控(图5)。 　　本研究对Bi2TeO5室温面内铁电性的报道丰富了本征二维铁电材料体系。原子插层作为新的调控单元对铁电畴大小及方向的调控，以及由此产生的铁电-反铁电相变，为二维铁电材料畴结构及相结构的调控提供了新思路，并为在未来纳米器件领域的应用奠定了新的材料基础。相关研究成果以Continuously tunable ferroelectric domain width down to the single-atomic limit in bismuth tellurite为题，发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。图1.二维层状铁电材料Bi2TeO5的CVD生长及结构表征。a、二维层状Bi2TeO5的光镜图；b-c、样品的表面形貌及对应的面内PFM图像；d-f、不同方向Bi2TeO5的结构模型以及铁电极化的产生；g-I、Bi2TeO5的原子尺度结构表征及对应的极化分布。图2.Bi/Te插层诱导的180°铁电畴的形成。a、Bi2TeO5中典型条状180°铁电畴的面内PFM；b、180°铁电畴壁的原子尺度HAADF-STEM图；c-e、180°铁电畴壁处铁电离子位移(DBi)及晶格畸变(晶格转角θ)的原子尺度分析；f、弛豫后180°铁电畴的结构模型。图3.插层对畴宽度的调控及铁电相到反铁电相的转变。a-d、具有不同周期的180°畴HAADF-STEM图像；e-h、分别为对应图a-d中的离子位移分布。图4.插层诱导的反铁电相。a、具有反铁电性样品的PFM；b-d、反铁电样品中的原子尺度极化分布及晶格畸变分析；e、弛豫后的反铁电相结构模型。图5.畴壁台阶的形成及插层对畴壁取向的影响。a-b、样品中扇形铁电畴的面内PFM图像；c、扇形铁电畴边缘处大量台阶形成的倾斜畴壁面；d-e、畴壁台阶的原子尺度HAADF-STEM图像及对应的离子位移分析；f、弛豫后的畴壁台阶结构模型；g、Te和O浓度对畴壁台阶形成焓的影响。

8月4日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队在《科学》（Science）上，发表了题为Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight crosslinking的研究文章。该研究提出了铁电材料的本征弹性化方法，即采用微交联法使铁电聚合物从线性结构转变为网络状结构，通过精准调控交联密度在实现弹性化的同时，降低结构改变对材料结晶性能的影响，开创性地同时将弹性与铁电性赋予同一材料。基于此，该研究创制了一种兼具弹性与铁电性，且具有较好的耐机械疲劳和铁电疲劳性能的弹性铁电聚合物。铁电材料是功能材料，通常是指在一定温度范围内具有自发极化且极化方向可随外加电场改变进行翻转或重新定向的晶体材料，其核心为自发极化。极化是极性矢量，由于晶胞中原子构型使得正负电荷重心沿该方向发生相对位移，形成电偶极矩，使得整个晶体在该方向上呈现极性，这个方向称为特殊极性方向。这对晶体的点群对称性施加了限制，在32个晶体点群中只有10个具有特殊极性方向，即1(C1)、2(C2)、m(Cs)、mm2(C2v)、4(C4)、4mm(C4v)、3(C3)、3m(C3v)、6(C6)、6mm(C6v)。只有属于这些点群的晶体才具有自发极化，即铁电材料必为晶体材料。这种特殊的晶体点群赋予了铁电材料诸多性能，使其在数据存储和处理、传感和能量转换以及非线性光学和光电器件等方面有诸多应用。而晶体在受到应力时能够产生的弹性回复是极小的，通常小于2%，这是传统铁电材料多表现为脆性（无机）或塑性（有机）的原因。可穿戴设备、柔弹性电子和智能感知等领域的快速发展，对于使用的材料提出了越来越高的要求即需要在复杂形变下依旧保持稳定的性能。电子器件使用的材料根据导电性可分为导体、半导体和绝缘材料，而导体和半导体目前已实现弹性化。而铁电材料作为绝缘材料中性能最丰富的功能材料之一，目前尚未实现弹性化，这限制了铁电材料在柔弹性电子等领域的应用。铁电材料的铁电性主要来源于其结晶区，但晶体本身几乎不具备弹性，因而铁电性和弹性难以在同一种材料中兼顾。铁电材料的弹性化方法通常有三种——结构工程、共混和本征弹性化。通过结构工程制备的样品只能在预应变值范围内进行形变，需要复杂的制造技术且难以降低器件尺寸。在采用无机铁电材料与弹性体共混方式制备的复合材料中，无机铁电材料的铁电畴杂乱无章，需要经过有效极化后才能表现出铁电性。由于无机铁电与弹性体的电阻率相差较大，在极化过程中电场主要施加在电阻率更大的弹性体中，导致弹性体相的电击穿和电机械击穿。因此，本征弹性化可能是铁电材料弹性化的唯一途径。本征弹性化能够促进材料的发展，使其具备可大规模溶液制备的能力、提高设备密度和材料的耐疲劳性等。有机铁电材料包括有机小分子铁电材料和以PVDF（聚偏氟乙烯）为代表的聚合物铁电材料。铁电聚合物的铁电性主要来源于分子链两侧由极性相差较大的原子或基团形成由一侧指向另一侧的偶极子。铁电聚合物的特点是具有高柔韧性、易于制造成复杂形状、机械坚固性和极性活性。聚合物中的铁电性是20世纪70年代在聚偏氟乙烯中发现的，是电能、机械能和热能之间有效交叉耦合的平台。因此，兼具铁电性和柔韧性的铁电聚合物可能是铁电弹性化的最佳候选对象。在过去几年，化学交联法在导体和半导体的本征弹性化过程中取得了显著进展。由于强的铁电响应需要高的结晶度，而好的弹性回复需要低的结晶度，因此传统的化学交联方法很难同时兼顾铁电响应和弹性回复。为此，该团队提出了“弹性铁电材料”的概念，设计了精确的“微交联法”在铁电聚合物中建立网络结构。选择聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE)，55/45mol%）作为反应基体材料，选择带有软而长链的聚氧化乙烯二胺（PEG-diamine）作为交联剂材料，使用低交联密度（1%～2%）赋予线性铁电聚合材料弹性的同时保持较高的结晶度。研究表明，交联后的铁电薄膜结晶相以β相为主，结晶均匀分散在聚合物交联网络中。在受力时，网络状结构能够均匀地将外力分散并且更多地承受应力，避免结晶区受到破坏。实验结果显示，交联后铁电薄膜在70%的应变下依旧具有较好的铁电响应，剩余极化约4.5μC/cm2并在拉伸过程中能够保持稳定，且具有较好的耐机械和铁电翻转疲劳性，提高了可靠性和使用寿命，拓展了使用范围。可见，“微交联法”是实现铁电弹性化行之有效的方法。该方法利用简单的化学反应实现了铁电性与弹性的良好匹配，为铁电材料弹性化提供了新思路。未来，研究团队将扩展此类方法，探索微交联法对于材料弹性化研究的普适性，并对制备的弹性铁电材料在可穿戴电子设备以及能量转换和存储、介电驱动等方面的应用进行探索。研究工作得到卢嘉锡国际合作团队项目、国家自然科学基金、浙江省钱江人才计划和浙江省尖兵领雁项目等的支持。铁电材料专家、东南大学教授熊仁根受邀在同期《科学》PERSPECTIVE专栏发表评论文章，认为这是突破性的工作，开辟了“弹性铁电”这一全新学科，并展望了弹性铁电材料可能的应用场景和未来的发展方向。图1. 弹性铁电的概念和合成策略示意图图2. 应变下弹性铁电的铁电响应。A为全弹性器件；B、C为全弹性器件在0%和70%的应变；D为在1kHz下0～70%应变下的P-E回滞曲线；E为不同应变下的名义Pmax、Pr和Ec和校正后的真实Pr。实验表明交联铁电薄膜在不同拉伸应变下均具有稳定的铁电响应。

互联网、人工智能等信息技术的快速发展，对存储器的存储密度、访问速度以及操作次数都提出了更高的要求。氧化铪基铁电存储器具有低功耗、高速、高可靠性等优势，被认为是下一代非易失性存储器技术的潜在解决方案。现在普遍研究的正交相(orthorhombic phase，简称“o相”)HfO2基铁电材料由于自身高铁电翻转势垒和“独立翻转”的偶极子翻转模式，使基于该铁电材料的器件具有高矫顽场，导致器件工作电压与先进技术节点不兼容、擦写次数受限等问题。这一问题是基于o相HfO2基铁电材料的本征特性，难以通过传统的优化工艺加以解决。因此，探寻结构稳定且具有低翻转势垒的HfO2基铁电材料是亟待解决的难题。 中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士团队与物理研究所研究员杜世萱团队合作，发现了稳定的铁电三方相Hf(Zr)1+xO2材料结构。这种结构降低了HfO2基铁电材料中铁电偶极子的翻转势垒。研究通过基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算发现，当Hf(Zr)1+xO2材料中，Hf(Zr)与氧的比例大于1.079:2时，三方相的形成能低于铁电o相和单斜相(m相)的形成能。扫描透射电子显微镜(STEM)实验清晰显现了过量Hf(Zr)原子嵌入在铁电三方相晶格的晶体结构，证实了理论计算的结果。嵌入的Hf(Zr)原子扩展了晶格，增加了其面内和面外应力，起到了稳定Hf(Zr)1+xO2材料结构和降低其铁电翻转势垒的作用。基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的铁电器件展示了超低矫顽场(~0.65MV/cm)、高剩余极化(Pr)值(22μC/cm2的)、小的饱和极化电场(1.25MV/cm)、和大的击穿电场(4.16MV/cm)，并在饱和极化下实现了1012次循环的耐久性。这一研究结果为低功耗、低成本、长寿命的存储器芯片提供了一种有效的解决方案。 　　研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院的支持。近期，相关研究成果发表在《科学家》(Science)上。中国科学院大学的科研人员参与研究。图1. 平面铁电电容器的基本特性及Hf(Zr)1+xO2薄膜的结构表征图2. 富含Hf(Zr)原子的菱面体Hf(Zr)1+xO2薄膜的原子尺度STEM分析图3. 基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算图4. 基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的铁电电容器的性能