硅基底上单晶BaTiO3纳米盘中的铁电性

《Advanced Functional Materials》：Ferroelectricity in Single-Crystalline BaTiO3 Nanodisks on Silicon

纳米尺度BaTiO3单晶圆盘的极化模式与电场调控研究。通过Ne离子束加工制备了20 nm厚、直径从400 nm至100 nm的BaTiO3纳米圆盘，发现垂直极化模式随尺寸减小呈现三种理论预测的极化结构，包括均匀极化、中心型极化和闭合磁畴混合模式。利用PFM证实极化可通过脉冲电场逐步反转，且中间态可稳定数小时，为纳米级铁电存储器设计提供新思路。

　　BaTiO?是一种具有广泛应用前景的铁电材料，因其在电子器件中的潜在用途而备受关注。随着纳米技术的发展，研究铁电材料在纳米尺度下的行为变得至关重要。然而，大多数研究集中于垂直方向的厚度缩减，而对横向尺寸缩减的研究相对较少。本文通过实验手段研究了在硅基底上生长的20纳米厚的单晶BaTiO?纳米圆盘的铁电行为及其极化模式。这些纳米圆盘的直径从约400纳米减小至100纳米，研究发现其在不同尺寸下表现出不同的极化状态，为未来纳米电子器件的设计提供了新的思路。

在制备过程中，纳米圆盘是通过Ne离子刻蚀在SrTiO?缓冲的硅基底上生长的20纳米厚的BaTiO?薄膜形成的。这一过程利用了聚焦离子束技术，通过精确控制离子束的能量、剂量和图案化方式，实现了对纳米结构形状的控制，并减少了离子辐照造成的损伤。纳米圆盘的表面呈现出光滑的特征，其表面粗糙度低于0.90纳米，这有助于排除由于表面形貌导致的信号干扰。此外，纳米圆盘周围形成了一层非晶态壳层，这不仅有助于减小晶态核心的尺寸，还提供了可重复的边界条件，不论环境和湿度如何变化。

研究发现，随着纳米圆盘尺寸的减小，其垂直极化分量的分布呈现出不同的模式。在100纳米直径的纳米圆盘中，垂直极化分量在原始状态下表现出三种不同的模式，这些模式与理论预测一致。其中，最常见的模式是垂直方向上均匀朝上的极化。此外，这些极化模式在平面上表现出旋转对称性，表明可能存在中心型和闭合流型的极化区域。这种旋转对称性在实验中得到了验证，当纳米圆盘旋转90度时，其极化模式也相应地旋转了90度，进一步支持了这一结论。

更有趣的是，研究还发现，通过施加不同时间宽度的脉冲偏压，可以实现对纳米圆盘极化模式的逐步切换。在初始状态下，纳米圆盘表现出向上极化，随着脉冲偏压的施加，这种极化可以逐步切换为向下极化。在切换过程中，纳米圆盘的极化状态在数小时后保持稳定，这为实现多级记忆存储提供了可能性。实验还显示，极化模式的切换不仅影响垂直极化分量，还导致横向极化分量的变化，形成交替的亮暗条纹，最终形成两个相反方向的极化区域。

此外，研究还关注了纳米圆盘的结构特性。通过X射线衍射和拉曼光谱分析，确认了纳米圆盘的晶体结构和取向。结果表明，BaTiO?和SrTiO?的晶胞在平面内相对于硅基底旋转了45度，且其晶格参数与硅基底保持了一致的取向关系。拉曼光谱进一步揭示了BaTiO?中存在不同的晶格取向，其中c轴取向在平面外，而a轴取向在平面内。这种取向的差异可能是由于生长过程中产生的压缩应力和冷却过程中产生的拉伸应力之间的竞争所致。

通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，研究团队还观察到了纳米圆盘的非晶态壳层。这些壳层由离子刻蚀过程中的背散射离子形成，不仅有助于减小晶态核心的尺寸，还提供了稳定的边界条件。值得注意的是，非晶态壳层在实验中表现出导电性，这归因于刻蚀过程中产生的氧空位。这种导电性使得在纳米圆盘表面的极化切换过程更为可控，并且避免了由于电荷积累导致的信号干扰。

研究还发现，随着纳米圆盘尺寸的减小，其铁电性表现出显著的变化。例如，在100纳米直径的纳米圆盘中，垂直极化分量的Curie温度（Tc）约为230–270°C，这一温度范围明显高于体材料的Curie温度（约120–130°C）。这种增强的Curie温度可能与晶格应变有关，因为纳米圆盘在生长过程中可能经历了应变的积累和释放。此外，纳米圆盘的尺寸减小还导致了其极化模式的多样化，包括中心型、闭合流型以及核心-壳型等不同结构。

这些发现不仅揭示了BaTiO?纳米圆盘在不同尺寸下的极化行为，还为纳米电子器件的设计提供了重要的理论依据。例如，纳米圆盘的极化模式可以通过外部电场进行调控，这种调控能力在非易失性存储器和逻辑器件的设计中具有重要价值。同时，研究还指出，纳米圆盘的尺寸减小可能导致极化模式的复杂化，这可能与边界条件、缺陷分布以及应变梯度等因素有关。

为了进一步探索这些极化模式的形成机制，研究团队还进行了相场模拟，以评估不同边界条件对极化结构的影响。模拟结果表明，纳米圆盘的极化模式确实受到边界条件的显著影响，例如电荷积累、界面电场以及应变分布等。此外，实验还发现，纳米圆盘的极化模式在施加脉冲电场后能够稳定地保持数小时，这为实现稳定的多级记忆存储提供了可能。

总的来说，这项研究为BaTiO?纳米圆盘的铁电行为提供了新的见解。通过系统地研究不同尺寸下的极化模式和Curie温度的变化，研究团队揭示了纳米结构在铁电性方面的潜力，并为未来基于这些材料的纳米电子器件的设计提供了理论和实验支持。这些发现不仅有助于理解铁电材料在纳米尺度下的行为，还为实现更小型、更高性能的电子器件铺平了道路。