铁电薄膜物理学与集成铁电学专题研讨会在南京大学举行

铁电薄膜物理学与集成铁电学专题研讨会在南京大学举行铁电体是一类具有自发电极化且其极化矢量在外电场作用下反转的电介质，它具有压电、热释电、电光、声光、光折变、非线性光学效应和高介电系数等特性，早就引起材料科学及物理学界的重视。近年来，由于制膜技术和微电...     

我国铁电薄膜物理学与集成铁电学若干重要问题的研究建议（提纲）

我国铁电薄膜物理学与集成铁电学若干重要问题的研究建议（提纲）１．学术背景铁电体为一类具有自发电极化，而且其极化矢量可以在外电场作用下反转的电介质，它们同时具有压电、热释电、电光、声光、光折变、非线性光学等效应及高介电系数。作为光电功能材料，铁电体早在...     

铁电屏蔽理论

利用电极化的边界屏蔽近似,可计算出一些典型铁电单晶的自发极化强度．铁电屏蔽电荷处于表面束缚极化子偶状态;其产生和湮没要跨越位垒．由统计方法给出的一些常见晶体和陶瓷的四种典型电滞回线形状,和实验观察到的结果一致 关键词：     

铁电材料中电场对唯象系数和电卡强度的影响

由于电场强度能够影响铁电材料的极化强度和介电常数,因此唯象系数a0是电场强度的隐函数.在铁电相区域,唯象系数a0由铁电极化强度和介电常数倒数确定,是电场的非线性函数.在顺电相区域,唯象系数a0由介电常数倒数确定,也是电场的非线性函数.本文研究了铁电共聚物、铁电三聚物和钛酸锶钡钙陶瓷的唯象系数与电场的关系,发现唯象系数随电场的增加而增加,最大约1倍.电卡强度被用来表征电卡材料在电场作用下的电卡效应强弱,通过研究电卡强度可以发现高效率的电卡材料.本文通过热力学理论,得到了电卡强度的解析表达式,发现唯象系数、相变温度、极化强度、比热以及相变温度处的介电常数峰值,对电卡强度具有明显的影响.该表达式适用于一级相变材料、二级相变材料、以及弛豫型铁电体.     

钙钛矿型氧化物非常规铁电研究进展

钙钛矿型氧化物因具有丰富的磁性、铁电、力学和光学等诸多功能属性,在电子信息通信材料器件领域中有广阔的应用前景.在各种物理性质之中,铁电极化因其产生机制多样,并能与磁性和晶格应变相互耦合形成多铁性等特点,近十多年来一直被作为凝聚态物理研究的国际热点问题.与以自发极化作为初级序参量的常规铁电材料不同,非常规铁电材料中的铁电极化是被其他的序参量诱导而产生的.本综述围绕无机钙钛矿型氧化物非常规铁电体的研究进展进行了总结.回顾了该体系经典唯象理论和原子尺度的微观模型,有序排列的人工钙钛矿超晶格型结构,以及稀土正铁氧体单晶的反铁磁畴壁结构中非常规铁电的极化强度大小及其诱导机制,为系统理解非常规铁电提供了理论途径.     

重温Pb(Zrx Ti1-x)O3铁电薄膜极化疲劳问题

具有ABO3型钙钛矿结构的Pb(ZrxTi1-xO3(PZT)展示出良好的铁电极化性能,是使用最广的铁电材料.然而,在将它应用于铁电存储时,PZT薄膜遭遇到极化疲劳问题而被SrBi2Ta2O9(SBT)等铁电体所替代,这一问题至今未能得到妥善解决.文章首先通过变温极化疲劳实验充分理解PZT极化疲劳的基本过程,然后有针对性地进行材料设计,获得基本无极化疲劳的PZT铁电薄膜.     

锆钛酸铅薄膜的铁电疲劳微观机理及其耐疲劳性增强

铁电随机存储器(ferroelectric random access memory,FeRAM)因其卓越的数据存储性能与非易失性存储特性等优势而备受关注,但其自身固有的铁电疲劳失效问题制约了 FeRAM进一步的发展和商业化应用.FeRAM的疲劳失效与铁电薄膜的畴壁运动密切相关,但其内在疲劳机理仍有待深入研究.本文采用基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的第一性原理计算方法,研究了锆钛酸铅(Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3,PZT)的疲劳失效机理并提出了增强其耐疲劳性能的方法.计算结果表明:PZT中氧空位与180°畴壁运动的耦合是其铁电疲劳的内在原因,PZT铁电薄膜中越靠近畴壁的地方越容易形成氧空位,畴壁处大量氧空位对畴壁运动的"钉扎"作用使畴壁迁移困难,抑制了其极化反转最终导致了铁电疲劳;Ba(Mg_(1/)3Nb_(2/3))O_3 (BMN)缓冲层的存在可吸收PZT中的氧空位,降低畴壁处的氧空位浓度,提升其耐疲劳性能.实验结果表明,经过10~(10)次极化反转后,PZT铁电薄膜的剩余极化值降低了 51%,而PZT/BMN薄膜的剩余极化值仅降低了 18%;经过10~(12)次极化反转后,PZT/BMN薄膜的剩余极化值仍保持有82%并持续稳定.以上结果表明,BMN缓冲层引入确实能提高PZT铁电薄膜的耐疲劳性,有望满足FeRAM商业化应用的需求.     

In掺杂h-LuFeO3光吸收及极化性能的第一性原理计算

h-LuFeO3是一种窄带隙铁电半导体材料,已被证明在铁电光伏领域有较好的应用前景.然而,较低的极化强度使光生电子-空穴对复合率大,限制了h-LuFeO3基铁电光伏电池效率的提高.为改善h-LuFeO3的极化强度,提高光吸收性质,本文利用第一性原理计算方法研究了In原子在h-LuFeO3不同位置的掺杂形成能,得到最稳定的掺杂位置,比较了h-Lu1-xInxFeO3(x=0,0.167,0.333,0.667)的带隙、光吸收性能及极化强度等性质.计算结果表明,随着In掺杂比例的增加,h-LuFeO3的晶格常数c/a比不断增大,铁电极化强度得到提高.当In:Lu=2:1时,材料杂质能级出现,Fe-O轨道杂化得到增强,提高了h-LuFeO3的光吸收性能.此工作证明了In掺杂是改善h-LuFeO3极化强度和光吸收系数的有效方法,对铁电光伏性能的提高提供一种新途径.     

四方相多铁BiMnO_3电控磁性的理论研究

钙钛矿结构BiMnO_3作为同时具有铁电性与铁磁性的多铁材料,在人工神经网络方面可以作为一种潜在的人工突触材料,从而设计出新型多铁人工突触器件.本文使用第一性原理计算的方法,分别研究了四方相BiMnO_3在xy面内施加0.18%与4%应力条件下的铁电情况,以及Mn原子磁矩随着铁电极化强度变化的曲线.结果表明,在四方相多铁BiMnO_3中,Mn原子磁矩会随着极化强度的增强而增大,表示其铁磁性可以在一定程度上由其铁电极化来进行调控,并且应力越大,其磁矩变化范围就越大.这一结果使得多铁BiMnO_3在人工突触器件设计方面拥有潜在的应用价值,多铁性使其在作为人工突触器件材料中具有更多可调控的自由度,从而可用于模拟多突触连接.这可为将来构造类脑芯片打下一定的理论基础.     

铁电材料光催化活性的研究进展

光催化技术被认为是最有前景的环境污染处理技术,这就使得光催化剂材料备受瞩目.近年来,铁电材料作为新型光催化剂材料受到人们越来越多的关注,其原因在于铁电材料特有的自发极化有望解决催化反应过程中的电子-空穴对复合问题,进而提高光催化活性.本文从两个方面对铁电极化如何影响光催化进行综述:一方面,从铁电极化入手归纳总结其对电子-空穴对分离的影响,进而更深入地从极化引发的退极化场和能带弯曲两个部分来阐述具体的影响机理;另一方面,为了消除静电屏蔽,分别从温度、应力(应变)、电场三个外场因素调控极化入手,归纳总结外场调控极化对电子-空穴对分离的影响,进而影响光催化活性.最后对该领域今后的发展前景进行了展望.     

Room-temperature vertical ferroelectricity in rhenium diselenide induced by interlayer sliding

One variety of ferroelectricity that results from lateral relative movements between the adjacent atomic layers is referred to as sliding ferroelectricity, which generates an interfacial charge transfer and hence a polarization reversal. The mechanism of sliding ferroelectricity existent in van der Waals crystals is quite distinct from the conventional ferroelectric switching mechanisms mediated by ion displacement. It creates new possibilities for the design of two-dimensional (2D) ferroelectrics since it can be achieved even in non-polar systems. Before 2D ferroelectrics can be widely employed for practical implementations, however, there is still significant work to be done on several fronts, such as exploring ferroelectricity possibly in more potential 2D systems. Here, we report the experimental observation of room-temperature robust vertical ferroelectricity in layered semiconducting rhenium diselenide (ReSe₂), a representative member of the transition metal dichalcogenides material family, based on a combined research of nanoscale piezoresponse and second harmonic generation measurements. While no such ferroelectric behavior was seen in 1L ReSe₂, 2L ReSe₂ exhibits vertical ferroelectricity at ambient environment. Based on density-functional theory calculations, we deduce that the microscopic origin of ferroelectricity for ReSe₂ is uncompensated vertical charge transfer that is dependent on in-plane translation and switchable upon interlayer sliding. Our findings have important ramifications for the ongoing development of sliding ferroelectricity since the semiconducting properties and low switching barrier of ReSe₂ open up the fascinating potential for functional nanoelectronics applications.     

General theory for the ferroelectric polarization induced by spin-spiral order

The ferroelectric polarization of triangular-lattice antiferromagnets induced by helical spin-spiral order is not explained by any existing model of magnetic-order-driven ferroelectricity. We resolve this problem by developing a general theory for the ferroelectric polarization induced by spin-spiral order and then by evaluating the coefficients needed to specify the general theory on the basis of density functional calculations. Our theory correctly describes the ferroelectricity of triangular-lattice antiferromagnets driven by helical spin-spiral order and incorporates known models of magnetic-order-driven ferroelectricity as special cases.     

SrBi4Ti4O15的化学键性质和铁电性研究

通过原子环境计算方法分析了正交相SrBi₄Ti₄O₁₅晶体内的键络结构、各原子的空间配位数及局域团簇结构. 在此基础上, 结合晶体分解理论将SrBi₄Ti₄O₁₅晶体分解为多个二元赝晶体, 根据化学键介电理论计算得到各赝晶体所对应化学键的有效价电子密度、离子性等化学键性质. 通过键偶极矩建立了铁电体自发极化强度与化学键性质之间的关系, 求得正交相SrBi₄Ti₄O₁₅沿a轴方向的自发极化强度为28.03 μC/cm², 与实验结果和其他理论计算值符合较好.     

Multiferroicity: the coupling between magnetic and polarization orders

Multiferroics, defined for those multifunctional materials in which two or more kinds of fundamental ferroicities coexist, have become one of the hottest topics of condensed matter physics and materials science in recent years. The coexistence of several order parameters in multiferroics brings out novel physical phenomena and offers possibilities for new device functions. The revival of research activities on multiferroics is evidenced by some novel discoveries and concepts, both experimentally and theoretically. In this review, we outline some of the progressive milestones in this stimulating field, especially for those single-phase multiferroics where magnetism and ferroelectricity coexist. First, we highlight the physical concepts of multiferroicity and the current challenges to integrate the magnetism and ferroelectricity into a single-phase system. Subsequently, we summarize various strategies used to combine the two types of order. Special attention is paid to three novel mechanisms for multiferroicity generation: (1) the ferroelectricity induced by the spin orders such as spiral and E-phase antiferromagnetic spin orders, which break the spatial inversion symmetry; (2) the ferroelectricity originating from the charge-ordered states; and (3) the ferrotoroidic system. Then, we address the elementary excitations such as electromagnons, and the application potentials of multiferroics. Finally, open questions and future research opportunities are proposed.     

BiFeO3晶体价键电子结构与铁电性质的关系

通过价键电子理论工具,计算得到了钙钛矿型单相多铁材料BiFcO₃"赝立方"顺电相和斜方铁电相价键电子结构,分析了价键电子结构变化时其铁电性的影响.计算结果表明,从顺电相到铁电相,BiFeO₃晶胞中各类化学键的键长和价键电子数变化各异,其中Bi-O键键长变短,价键电子数增多,共价性显著增强,对铁电相的稳定起到至关重要的作用;Fe-O键长呈现变大和变小两种结果,价键电子数都减小,共价性减弱.计算结果与第一性原理计算进行了比较.     

铁电薄膜铁电性能与温度关系的一种实时测量实验方法

介绍了一种实时测量铁电薄膜的铁电性能与温度关系的实验方法,为进一步研究铁电薄膜的特性提供了实验基础。     

脉冲强磁场下的电极化测量系统

多铁性材料是当前物质科学研究的热点,具有重要的科学研究意义和应用前景.低温和强磁场实验环境为研究多铁性材料提供了一种有效途径.脉冲强磁场下的电极化测量系统能实现最高磁场强度60 T、最低温度0.5 K的铁电特性测量.该系统采用热释电方法,具有磁场强度高、控温范围广、转角测量等特点,可用于强磁场下的磁电特性研究.本文介绍了该系统的测量装置和实验原理,并展示了其在多铁性材料研究中的一系列应用,揭示了脉冲强磁场电极化测量系统在磁电特性探索中的重要作用.     

低维铁电材料研究进展

铁电材料是一类重要的功能材料,铁电元件的小型化、集成化是当今铁电材料发展的一大趋势.但是尺寸效应、表面效应等的存在制约了传统块体铁电材料在纳米尺度下的应用,因而低维度纳米材料中的铁电性能研究成为当前材料科学领域的研究热点之一.本文综述了近年来理论和实验上关于低维铁电材料的探索,包括二维范德瓦耳斯层状铁电材料、共价功能化低维铁电材料、低维钙钛矿材料、外界调控以及二维"铁电金属"等材料的理论预言与实验铁电性的观测;也提出一些物理新机制来解释低维下的铁电性;最后对该领域今后的发展进行了展望.     

First-order phase transition stimulated by an external electromagnetic field

The mechanism of the influence of an external electromagnetic field upon the temperature of the first-order phase transition in BaTiO₃ is discussed in the framework of the vibronic theory of ferroelectricity. The irradiation is shown to decrease the phase transition temperature. The results are in good agreement with the experimental findings.     

Vibronic ferroelectrics in the field of a strong electromagnetic wave

The effect of a strong electromagnetic field on the phase transition in narrow-band ferroelectric-semiconductors is discussed in the framework of the vibronic theory of ferroelectricity.