通过Fe植入改善BiFeO3的极化响应：应变工程与原子缺陷相互作用的研究

《Journal of the American Ceramic Society》：Strain engineering and atomic defect interaction in BiFeO3 via Fe implantation for enhanced polarization response

铁离子注入调控BiFeO3薄膜结构提升铁电性能

　　

摘要

随着人工智能（AI）和物联网（IoT）应用需求的不断增长，对下一代非易失性存储设备提出了更高的要求，这些设备需要具备高速性能和纳米级集成能力。BiFeO₃（BFO）铁电薄膜是实现超越冯·诺依曼架构（non-von Neumann architectures）的有希望的候选材料，但它们存在固有的缺陷，尤其是氧空位，这些缺陷会降低极化稳定性并增加漏电流。在这项研究中，我们提出了一种基于精确控制Fe³⁺离子注入的原子级晶格工程方法，以调节BFO中的[FeO₆]八面体结构。原子级扫描透射电子显微镜成像和极化矢量分析表明，优化后的离子注入能够产生可控的平面压缩应变，从而系统地改变八面体的倾斜模式。这种应变介导的畸变不仅抑制了氧空位的产生，还增强了Fe³⁺–O^2?轨道的杂化作用，并促进了有序缺陷-偶极子阵列的形成。结果，植入处理后的薄膜表现出50%的剩余极化强度提升以及10倍的漏电流降低。通过建立注入剂量、八面体畸变与铁电响应之间的定量关系，本研究为钙钛矿氧化物中的应变-缺陷-偶极子工程提供了一个预测模型，为优化氧化物纳米电子器件的性能提供了一种通用策略。