柔性独立式PbZrO3:0.2TiO:0.8O铁电薄膜：具有稳定且可调的畴结构

《Materials Today Communications》：Flexible Freestanding PbZr 0.2Ti 0.8O 3 Ferroelectric Thin Films with Stable and Tunable Domain Configuration

自由 standing铁电薄膜因多功能集成与优异机械柔性备受关注，但其domain结构易受界面应力与电荷迁移影响导致失稳。本研究提出bottom electrode集成策略，通过在PbZr0.2Ti0.8O3（PZT）薄膜下沉积SrRuO3（SRO）电极，有效抑制薄膜剥离后及弯曲形变过程中的应力松弛与电荷重新分布，成功获得保持a/c多domain结构的freestanding PZT薄膜。实验表明，适度弯曲应变可将in-plane极化a-domain从a1/a2双domain结构调控为单一a-domain状态，为优化柔性铁电薄膜性能及拓展其在纳米电子器件中的应用提供了新方法。

　　

戴丽云|谢玉彤|王博博|龙建梅|沈浩明|蒋鹏|钟向丽|钟高科

中国湖南省湘潭市湘潭大学材料科学与工程学院，特种功能薄膜材料国家-省级实验室，邮编411105

摘要

独立铁电薄膜由于其多种功能性和出色的机械柔韧性，在柔性电子应用中具有巨大潜力。这些功能性与铁电畴的配置密切相关。然而，在制备独立铁电薄膜的过程中，由于机械和电边界条件的变化，畴结构往往变得不稳定，难以保持所需的畴配置。本文提出了一种底部电极集成策略，以增强电荷屏蔽效果，并在薄膜脱离基底和发生弯曲变形后稳定铁电畴结构。具体而言，在PbZr_0.2Ti_0.8O₃ (PZT)薄膜下方引入了SrRuO₃ (SRO)底部电极，从而获得保持a/c多畴结构的独立PZT薄膜。此外，还研究了不同弯曲应变对PZT/SRO异质结构中PZT薄膜畴结构可调性的影响。研究结果表明，适当的弯曲应变可以将面内(a/c)极化的a畴从a₁/a₂畴结构调节为单一a畴状态。这种方法为优化独立铁电薄膜的性能并拓宽其在柔性纳米电子学中的应用提供了宝贵的见解。

引言

独立铁电薄膜结合了多种功能性和出色的机械柔韧性，使其成为柔性器件应用（如存储器、类脑计算、传感器等）的理想候选材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。值得注意的是，独立铁电薄膜的畴配置是其铁电性质及相关器件功能的基础[9]、[10]、[11]、[12]。例如，垂直于平面(OOP)的单畴配置具有高的极化各向异性和低的串扰，非常适合用于柔性高密度存储器；而面内(IP)多畴配置则具有增强的横向压电系数和优异的弯曲稳定性，更适合柔性传感器[13]、[14]、[15]、[16]。独立薄膜的出现为调控畴结构提供了新的平台，使研究人员能够克服传统基底的约束，通过范德华堆叠等创新方法以及施加各种外部场（包括机械应力和电场）来精确操控铁电畴配置[17]、[18]、[19]。然而，获得具有稳定畴结构的独立铁电薄膜仍面临挑战[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，主要原因是薄膜内部的应力松弛和薄膜与基底分离过程中的表面电荷重新分布。这些效应可能导致畴配置偏离原始的外延状态，从而对器件性能产生不利影响[24]、[25]。

为了解决这一问题，引入底部电极支撑层不仅可以缓解应力松弛，还可以提供静电屏蔽作用，有助于维持铁电薄膜的自发极化[26]、[27]、[28]。例如，BaTiO₃ (BTO)薄膜的铁电性能通常受到界面负载效应和残余应力的限制，而BTO/SrRuO₃ (BTO/SRO)复合结构可以有效减少面内晶格松弛，从而提高剩磁极化和饱和极化值[29]。本文提出的底部电极集成策略能够在薄膜脱离基底和发生弯曲变形后增强电荷屏蔽效果并稳定铁电畴结构。具体而言，在PbZr_0.2Ti_0.8O₃ (PZT)薄膜下方引入了SRO底部电极，从而获得保持a/c多畴结构的独立PZT薄膜。此外，还研究了不同弯曲应变对PZT/SRO异质结构中PZT薄膜畴结构可调性的影响。研究结果表明，适当的弯曲应变可以将面内极化的a畴从a₁/a₂畴结构调节为单一a畴状态。这种方法为优化独立铁电薄膜的性能并拓宽其在柔性纳米电子学中的应用提供了宝贵的见解。

结果与讨论

独立PZT薄膜是采用牺牲层刻蚀方法制备的，如图1(a)所示。首先，将制备好的PZT/Sr₃Al₂O₆/SrTiO₃ (PZT/SAO/STO)异质结构浸入去离子水中，在室温下完全溶解牺牲层SAO。SAO层完全水解后，STO基底被剥离，而PZT薄膜由于浮力作用浮到水面[30]。

结论

总之，本文提出了一种底部电极集成策略，以增强独立铁电薄膜在脱离基底和发生弯曲变形后的电荷屏蔽效果并稳定其铁电畴结构。具体而言，在PZT薄膜下方引入了SRO底部电极，从而获得保持a/c多畴结构的独立PZT薄膜。此外，还研究了不同弯曲应变对PZT薄膜畴结构可调性的影响。

实验部分

薄膜沉积：使用脉冲激光沉积(PLD)系统在SrTiO₃ (STO) (001)基底上沉积了PbZr_0.2Ti_0.8O₃/Sr₃Al₂O₆ (PZT/SAO)和PZT/SrRuO₃/SAO (PZT/SRO/SAO)薄膜，该系统配备了波长为248 nm的KrF准分子激光器。SAO层在120 mTorr的动态氧压下、750 °C的温度下生长，激光能量为300 mJ，重复频率为10 Hz；SRO层在80 mTorr的动态氧压下、650 °C的温度下生长，激光能量同样为300 mJ。

作者贡献

该项目由GK.Z和XL.Z构思和协调。样品制备、测量和分析工作由LYF.D、YT.X、JM.L和HM.S在GK.Z、XL.Z和P.J的指导下完成。LYF.D和YT.X撰写了论文，所有作者都参与了讨论和分析。

CRediT作者贡献声明

蒋鹏：方法学研究、形式分析。沈浩明：实验研究、形式分析。钟高科：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。钟向丽：监督、资源协调、项目管理、资金获取。谢玉彤：写作——初稿撰写、方法学研究、数据整理。戴丽云：写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢中国国家重点研发计划(2022YFF0706100)、国家自然科学基金(62474186、52472139和12275230)以及深圳市科技计划(JCYJ20240813155702004和RCYX20200714114733204)的支持。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。