新型外延法创造了 BiFeO3 的新相

澳大利亚与美国的合作表明，压力如何增强一种有前途的未来技术材料的性能

新南威尔士大学 (UNSW) 的研究人员发现了 BiFeO3 的一种新奇特状态，这是最有前途的多铁性材料之一，对将来使用这些增强特性的技术具有令人兴奋的影响。

结合薄膜应变、变形和厚度的仔细平衡，该团队已经在少数已知的室温多铁性材料之一中稳定了新的中间相。

美国-澳大利亚的理论和实验研究表明，这一新相的机电品质因数是其通常值的两倍，而且我们甚至可以使用电场轻松地将这个中间相转换为其他相。

除了为所有从事多铁性和外延的国际材料科学家的工具包提供一项有价值的新技术外，该团队还表示，他们的结果最终阐明了如何使用外延技术来增强材料的功能响应，以备将来在下一代器件中应用。

应力晶体

“在我们的研究中，我们将各向异性应变应用于我们的薄膜。这意味着所施加的应变取决于您观察的方向，这会产生复杂的应变状态，迫使薄膜进入新阶段，”第一作者 Oliver Paull（新南威尔士大学）说。

BiFeO₃（或 BFO）拥有令人印象深刻的多功能特性，包括压电性、铁电性、磁性和光学特性。

对于有兴趣将其用于自旋电子学和存储器应用的研究人员来说，BFO 可以说是最受欢迎的磁电材料，因为磁性和铁电性之间的耦合有望实现低能量技术。

BFO 不仅是磁电材料，而且是极少数在室温下具有磁电特性的材料之一，使其可用于未来的低能耗电子产品等应用，而无需高耗能的低温冷却。很少有多铁性材料在室温下表现出这些有用的特性。

通过使用高度错切的基板，研究团队将 BFO 推入了一个新阶段，该阶段本质上是众所周知的菱形状和四方状相之间的联系。这与相位的对称性相关特性相结合，使其很容易受到电场的影响。

“我们查阅了文献，发现每个人都使用相当标准的商业基材方向，”首席研究员 Daniel Sando 说（如上图所示）。 “我们要求我们的供应商在标准方向之间定制不同的错切方向，这导致了新阶段的发现。我们问自己，人们以前没有这样做的原因是否是因为这些错误切割所涉及的晶体学相当复杂并且可能令人生畏！”

合作

橡树岭国家实验室、阿肯色大学和莫纳什大学的研究人员之间的国际合作，使用理论计算和一套实验技术表明，这个新相具有比传统 BFO 高得多的机电响应。

Oliver Paull 说：“我们还展示了强有力的证据，表明可以使用电场将这种低对称性相转化为更高对称性的相，因此可以将机电响应进一步提高 3 倍。”

这一发现最吸引人的方面之一是它的通用方法和适用于广泛类别的材料系统。

“我们选择专注于 BiFeO₃，因为它具有铁电、磁性和压电特性，但这种方法很容易应用于其他钙钛矿氧化物，”Paull 说。

“我们目前正在探索这些高指数衬底对纯铁电或磁性系统的影响，但使用这种技术的范围是巨大的。我们希望找到光学有趣材料的低对称相，以及铁电体中的新域排列，仅举几例，”该项目的理论负责人 Laurent Bellaiche 指出。

各向异性外延

“如果您正在处理外延，那么这种各向异性技术可以证明对您的研究非常有成效，”Sando 说。

“这项研究只是一个开始。我们计划将这种各向异性外延方法与氧化物超晶格（不同成分的重复层，即 ABAB 等）相结合，并将低对称性晶体结构与其他已建立的改善压电响应的途径相结合，例如用稀土元素替代. 最后，由于 BFO 是多铁性的，我们计划针对这一新的低对称相进行大量磁性研究。”新南威尔士大学实验室负责人 Nagy Valanoor 说。

还有更广泛的可能应用：传感器和执行器中使用的压电体通常是散装形式的铅基化合物。虽然新方法是利基的，并且非常注重研究，但新方法在诸如纳米执行器或传感器等行业中可能有发挥作用的空间。关键方面是使用各向异性外延方法来1）产生低对称性相位，2）促进响应增强；在这种情况下，压电系数。

参考资料

'Anisotropic epitaxial stabilization of a low-symmetry ferroelectric with enhanced electromechanical response' by Daniel Sandoet al; Nature Materials, September 2020

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