BiFeO3外延薄膜:应变调制的准同型相界与压电性能

advs201570028-gra-0001-m钙钛矿结构的压电、铁电材料在传感器、驱动器等方面具有广泛的技术应用。其中,以Pb(Zr, Ti)O3(PZT)为代表的压电体系得到了广泛而深入的研究,特别是在准同型相界(MPB, 铁电四方相/菱方相相界) 附近,其具有十分优异的压电性能。因此,在钙钛矿体系中设计引入MPB 已成为获得高性能压电材料的重要途径之一。BiFeO3是经典的多铁材料,室温下其晶体结构为菱方相 (R3c)。2009年,《科学》杂志报道了BiFeO3薄膜由于受到外延应力的作用下,出现了T’相与R相共存的条纹相,其中T’相为类四方相,实际上是c/a约为1.25的单斜相(Science 2009 , 326 , 977),这一发现为BiFeO3中引入MPB提供了契机。2013年,美国橡树岭国家实验室Christen等人通过外延衬底选择使得外延BiFeO3薄膜受到的压应变超过4.5%,研究发现除R与T’相以外,还会出现一个S’相,其c轴晶格常数介于R和T’之间的一个中间相。这一中间相对对低温条件下(<300oC) BiFeO3薄膜的压电效应与极化反转起到关键作用,有望实现BiFeO3薄膜中的MPB,获得高性能压电效应。(Adv.Mater. 2013, 25, 5561.)

然而,S’相如何在BiFeO3薄膜压电响应中发挥作用,其机理尚不清楚。在近期的工作中(Adv. Sci. 2015, 2, 1500041),Christen等人进一步通过分子束外延(PLD)在LaAlO3衬底上制备了厚度约为45nm的BiFeO3薄膜,结合第一性原理计算以及同步辐射XRD、EELS等手段深入研究了应变状态下稳定的S’相结构、电子结构以及应变诱导的相变。研究表明,S’相为三斜结构(P1),在能量上与T’相非常接近,而在结构上与块体BiFeO3 R相十分类似。由于在S’相与T’相之间的能垒较低,外电场可以诱导这两相之间可逆相变。同时,两相的八面体转角和c/a相差很大,可以获得较好的压电响应。该研究通过应力工程获得了S’相与T’相共存的准同型相界(MPB),实现了良好的压电响应,不仅丰富了该领域的理论研究,同时为制备新型高效压电材料提供了可能性。另一方面,这些结果也为丰富BiFeO3功能型性提供了可能,例如,依赖应力的R-S’-T’相转变时带隙的蓝移对于相关光学器件设计开发具有指导意义。

About 任 召辉

浙江大学材料科学与工程学院副教授,博士生导师。目前主要从事多元氧化物纳米材料结构与性能调控的研究,并探索这类材料在传感、催化与能源等方向的应用。更多信息请访问:http://mypage.zju.edu.cn/mse_rzh/0.html