溶胶-凝胶法制备多相外延掺杂铋铁氧体薄膜及其在忆阻器中的创新应用

本文通过溶胶-凝胶法在Nb掺杂SrTiO3（NSTO）衬底上成功制备了(1-x)BiTi0.1Fe0.8Mg0.1O3-(x)CaTiO3（BTFM-CTO）多铁性外延薄膜，揭示了化学压力与晶格失配应变协同诱导的四方相（T）、菱方相（R）、极性正交相（OP）和非极性正交相（ONP）多相共存机制。该材料展现出优异压电性（64.66 pm）、室温铁电性（饱和极化66.93 μC/cm2）及低漏电流（7.98×10–10 A/cm2），并基于此开发出开关比>103的忆阻器，为铁电硬件器件应用提供新思路。

　　

Highlight

通过溶胶-凝胶法在Nb掺杂SrTiO₃（NSTO）衬底上制备的高质量(1-x)BiTi_0.1Fe_0.8Mg_0.1O₃-(x)CaTiO₃（BTFM-CTO）多铁性外延薄膜，在NSTO晶格失配应变（1.4%）与CTO组分化学压力的协同作用下形成多相共存结构。当x=0.22时，薄膜中四方相（T）、菱方相（R）、极性正交相（O_P）和非极性正交相（O_NP）纳米畴的无缝混合，展现出64.66 pm的压电响应、66.93 μC/cm²的饱和极化（矫顽电场4.4 MV/cm）以及7.98×10^–10 A/cm²的超低漏电流密度。

Results and discussion

XRD与高分辨透射电镜（HRTEM）证实了外延生长特性与多相共存现象。随着CTO含量增加，薄膜呈现典型的R-T相混合，且极性正交相（O_P）逐渐增强。这种多尺度纳米畴结构通过极化旋转路径降低了能量势垒，从而显著提升铁电性能。基于BTFM-CTO的忆阻器表现出>10³的开关比、双脉冲刺激后的兴奋性突触后电流（EPSC）响应及突触可塑性（PPF行为），系统化的电导调控机制为神经形态器件设计奠定基础。

Conclusion

研究证实CTO组分可诱导多相结构并优化电学性能，溶胶-凝胶法制备的BTFM-CTO薄膜为开发高性能铁电忆阻器提供了创新材料体系，其多相共存机制与纳米畴工程策略对多功能氧化物器件的设计具有普适指导意义。