在铁电体中，空间反演对称性破缺引起的自发电极化在非易失性数据存储、压电传感和磁电耦合器件等领域具有广泛的应用。随着人们对器件小型化，低能耗，高集成密度需求的增长，探索制备超薄铁电材料变的日益迫切，人们希望在体积缩小至原子尺度的器件里仍保留良好的铁电性能。在众多铁电材料中，具有钙钛矿结构的氧化物铁电体（PbZr0.2Ti0.8O3， BiFeO3 等）具有更好的化学稳定性，其铁电极化强度相比于二维范德瓦尔斯铁电材料（CuInP2S6, In2Se3等）要高一个量级。实验上，人们通常采用离子刻蚀或水溶性牺牲层的技术制备薄层的氧化物铁电材料，这可能引入晶格缺陷和原子重构，并导致铁电失效。目前制备手段仍未满足现实要求，因此亟需实现大面积高质量超薄铁电薄膜制备技术的突破。
图 1 Bi2WO6 晶体结构与晶格适配
图 2 Bi2WO6 薄膜在 NdGaO3(110)上的沉积生长
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面国家重点实验室 SF09 组长期从事低维材料生长制备和新奇物性表征，在探索新的铁电材料体系和新奇物性方向一直有着持续性的研究（Nat Commun 14, 2757 (2023)；Adv. Funct. Mater. 32, 2105256 (2022)）。最近，SF09 组的周松同学在吴克辉研究员的指导下，通过脉冲激光沉积技术在 NdGaO3(110)单晶衬底上实现了具有单个晶胞厚度的 Bi2WO6 铁电薄膜的大面积高质量外延生长。在沉积生长过程中，可通过对脉冲数目的精确控制来获得不同厚度的 Bi2WO6 薄膜。其中薄膜和 NdGaO3 衬底具有接近完美的晶格适配。X 射线衍射和扫描透射电子显微镜（STEM）验证了薄膜良好的外延特性和晶体质量。压电力显微镜（PFM）图像显示单个晶胞厚度的 Bi2WO6 薄膜具有沿着面内方向极化的铁电畴，与较厚的薄膜相比具有较小的畴尺寸，可以利用针尖电场进行高效的读写操作。PFM 相位的电滞回线和振幅的蝴蝶曲线进一步证实了其铁电性。
图 3 Bi2WO6/NdGaO3(110)薄膜 STEM 表征
图 4 Bi2WO6 铁电畴成像与翻转
本工作首次通过应力工程和外延生长技术实现单胞厚度钙钛矿铁电薄膜高质量制备。其独特的面内铁电极化平行于薄膜表面，使其在超薄的临界厚度下仍能保持良好的铁电性能，免受退极化场的影响。超薄的 Bi2WO6 薄膜的成功外延制备有助于电子集成领域突破厚度极限，为开发新型高容量低功耗纳米器件提供新的平台。相关研究结果以“Ferroelectricity in Epitaxial Perovskite Oxide Bi2WO6 Films with One-Unit-Cell Thickness” 为题发表在Nano Letters （https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01426）上。中科院物理所周松同学为第一作者。吴克辉研究员和宋创业博士后为该论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市自然科学基金的资助和支持。
编辑：潇洒的犀牛
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