原子级铁电体对高密度电子产品非常感兴趣，特别是场效应晶体管、低功耗逻辑和非易失性存储器。北京科技大学新材料技术研究院张林兴教授和田建军教授带领团队设计了一种具有氧化铋层状结构的薄膜，可以通过将铁电态稳定到1nm。这种薄膜可以通过具有明显成本效益的化学溶液沉积在各种基板上生长。观察到一个标准的铁电滞回线，厚度可达~1纳米。厚度范围为1~4.56nm的薄膜具有相对较大的剩余极化，为每平方厘米17~50微库仑，通过第一性原理计算验证了该结构。相关研究工作以“Ferroelectricity in layered bismuth oxide down to 1 nanometer”为题刊登在《Science》上。北京科技大学为第一研究单位，新材料技术研究院博士研究生杨倩倩为本论文的第一作者。北京工业大学博士生胡敬聪和西班牙巴斯克大学方跃文研究员为共同第一作者，北京工业大学卢岳副研究员为共同通讯作者。
1、增加了小尺度上保持铁电性材料的数量。
2、发现了一种铁电氧化秘结构的铁电行为持续到1纳米。
3、相对较高的极化使1纳米薄膜成为各种应用的理想候选材料。
图1 在(0001)Al2O3衬底上生长的层状氧化铋薄膜的晶体结构表征。© 2023 AAAS
图2 超薄BSO薄膜表征。© 2023 AAAS
图3 宏观铁电表征。© 2023 AAAS
图4 BSO薄膜PFM。© 2023 AAAS
图5 DFT和HAADF-STEM确认BSO结构。© 2023 AAAS
研究人员设计了具有氧化铋层状结构铁电材料，通过溶胶-凝胶法制备了结晶度良好的BSO薄膜，该薄膜可以在多种衬底上生长。该薄膜在室温下仍可实现1nm厚度的宏极化，具有17μC·cm-2的高剩余极化。通过测量PFM中的写入域和局部蝶形曲线，确认了铁电特性。通过DFT计算得到了BSO薄膜的结构，并确认其是一种与之前观察到的不同类型的室温铁电薄膜。为未来铁电材料的研究提供了一条有前景的途径，非常适合未来的纳米电子器件。
论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5134
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