脉冲激光沉积法制备(1-x)Bi4Ti3O12-xBiFeO3复合薄膜的多铁性物理特性及其在忆阻器中的应用研究

为解决多铁性材料中氧空位导致的漏电流和磁电耦合效率低等问题，研究人员通过脉冲激光沉积(PLD)技术制备了(1-x)Bi4Ti3O12-xBiFeO3(x=0.1/0.9)双相复合薄膜。研究发现0.9BIT-0.1BFO样品具有更低的氧空位浓度和更光滑的表面形貌，其剩余极化强度(Pr)达15 μC/cm2，矫顽场(Ec)为99 kV/cm，显著优于0.1BIT-0.9BFO样品。该成果为开发高性能电容器和存储器提供了新材料体系。

　　

在当今数字时代，多铁性材料因其独特的铁电-铁磁耦合特性成为研究热点，这类材料可应用于电容器、传感器、自旋电子学和非易失性存储器等领域。然而，单相多铁性材料如BiFeO₃(BFO)存在固有缺陷：其螺旋自旋结构会抵消宏观磁化强度，且高浓度氧空位导致漏电流问题；而Bi₄Ti₃O₁₂(BIT)虽具有优异的抗疲劳特性却缺乏磁性。如何通过材料复合实现性能互补，成为突破应用瓶颈的关键。

针对这一挑战，印度理工学院等机构的研究人员采用脉冲激光沉积(PLD)技术，在ITO玻璃基底上制备了(1-x)Bi₄Ti₃O₁₂-xBiFeO₃(x=0.1和0.9)双相复合薄膜，系统研究了其结构-性能关系。研究发现0.9BIT-0.1BFO样品展现出更优异的综合性能，相关成果发表在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》上。

研究采用PLD技术实现薄膜沉积，通过掠入射X射线衍射(GIXRD)分析晶体结构，原子力显微镜(AFM)表征表面形貌，X射线光电子能谱(XPS)检测元素价态，并利用铁电测试系统测量极化特性。所有样品均采用金属-绝缘体-金属(MIM)器件构型进行电学性能评估。

结构及微观结构分析
GIXRD证实薄膜中同时存在BIT（正交晶系，Fmmm空间群）和BFO（菱方晶系，R3c空间群）两相。0.9BIT-0.1BFO样品在2θ≈30.08°处出现BIT特征峰，而32.10°峰对应BFO相，表明成功构建双相复合体系。

表面形貌与化学状态
AFM显示0.9BIT-0.1BFO具有更均匀的晶粒生长和更光滑的表面（RMS粗糙度更低），这归因于其较低的氧空位浓度。XPS证实Fe³⁺离子和氧空位的存在，二者显著影响材料的铁电和磁性能。

铁电性能
0.9BIT-0.1BFO表现出更优异的铁电回线，其P_r达15 μC/cm²，E_c为99 kV/cm，优于0.1BIT-0.9BFO样品。这源于氧空位减少和畴钉扎效应的减弱，证实组分调控可有效优化性能。

该研究通过PLD技术成功构建BIT-BFO双相复合体系，阐明组分-结构-性能的构效关系。特别值得注意的是，0.9BIT-0.1BFO组分因更低的氧空位浓度和更优的界面耦合，展现出显著增强的铁电性能和表面质量，这为设计新型多功能存储器提供了材料基础。研究不仅证实PLD在制备复杂氧化物薄膜方面的优势，更通过组分工程为多铁性材料的性能优化提供了新思路，对推动下一代非易失性存储器件发展具有重要意义。