中国科学院金属研究所马秀良研究员团队:热致偏析构筑自适应垂直异质结_中国电子显微镜学会 中国电镜学会
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  • 中国科学院金属研究所马秀良研究员团队:热致偏析构筑自适应垂直异质结

    2019-08-28 09:46:58 浏览:13399 来源:

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    第一作者:刘素贞
    通讯作者:朱银莲

    单位:中国科学院金属研究所松山湖材料实验室

    背景介绍

    近年来,自组装多相异质结由于其特殊的介电响应、输运行为和自发集成多功能性等物理性质受到研究者们的广泛关注。其中,基于氧化物薄膜体系的异质界面在电、磁相关领域展现出越来越多的特殊响应特性和应用潜力为研发新型多功能微型化电子器件提供了广阔空间。对于BFO薄膜而言,由于挥发性Bi元素在高温沉积过程中不可避免的扩散和逸出,其化学计量比难以保持恒定的1:1:3,因此在适当动力学因素影响下可以诱发偏离化学计量比的相变,并可被进一步用以调控制备基于BFO的两相或多相结构。

    研究内容

    本文提出了一种基于传统钙钛矿铁电BiFeO3薄膜制备具有优异电学性能复合纳米结构的方法,通过热致相分离在BiFeO3基体中大规模构筑规则几何块状α-Fe2O3析出相。能谱分析显示α- Fe2O3相包覆于外缘富Bi层,暗示该氧化物形核于热扩散过程中Bi元素耗尽区。多尺度显微结构分析指出α - Fe2O3与基体保持特定的位向关系,进而与BiFeO3构成垂直异质结。进一步利用多模式扫描探针显微镜表征了纵向异质界面处的电导行为。本研究呈现了一种利用热致偏析的动力学机制拓展传统钙钛矿氧化物功能性的方法,为研发设计低维多功能氧化物器件提供一种有效途径。

    图文赏析

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    1.  BFO/DSO薄膜热处理前后的形貌图。  a, c. 对应50 nm100 nm BFO/DSO薄膜热偏析前的明场像b. 热偏析后50 nm BFO薄膜的明场像

    d. 热偏析后100 nm BFO薄膜的低倍HAADF形貌图。Bar=500 nm

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    2.  热处理后BFO薄膜的能谱分析。a. 厚度为50 nmBFO薄膜热处理后的低倍HAADF图及区域中各元素的面扫结果Bar=200 nmb. 厚度为100 nmBFO薄膜热处理后的低倍HAADF图及区域中各元素的面扫结果Bar=200 nm

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    3.  热偏析后BFO薄膜截面的能谱分析。a. BFO薄膜截面的低倍HAADF图及区域中各元素的面扫结果Bar=20 nmb.垂直异质结的简化示意图。

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    4.  α-Fe2O3HAADF高分辨像与原子结构示意图。a. 铁氧化合物/Bi/DSO薄膜的低倍HAADF像(Bar=50nmb. 4a红框区域对应的高分辨HAADFc. α- Fe2O3薄膜的高分辨HAADF像(Bar=5 nmd. 4c中 [42晶带轴所对应的晶体学模型(Bar=5 nm)。

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    5.  多相复合结构的局部表面电势与电导率测量。a, b. 热处理前后薄膜的表面形貌c. 单个异质界面处的表面电势测量d-g. 不同偏压下单个异质界面处的电导率测量h-k. 5 (d-g)中同一区域对应的电流分布曲线。Bar=1 μm

    总结与展望

    利用脉冲激光沉积技术结合后续热处理在压应变DSO衬底上生长了50 nm100 nm厚的BFO/α-Fe2O3复合结构结合衍衬分析和能谱成分分析发现在初始BFO薄膜基体中大规模弥散分布着三角块状铁氧化合物,并对析出相及其局部成分与结构作了系统表征。进一步利用像差校正透射电子显微术的原子结构分析表明该析出相为α- Fe2O3,且自发与BFO基体晶体学取向匹配。多模式原子力显微镜对两相界面的电导行为表征表明纵向异质界面处具有潜在的整流效应。本工作呈现了一种基于传统钙钛矿氧化物制备复合功能材料的方法,为设计界面主导的低维微电子器件提供了借鉴和指导。
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