物理学报 Acta Phys.sin.Vol.67,No.15(2018)15701 多铁性:物理、材料及器件专题 低维铁电材料研究进展* 胡婷阚二军 (南京理工大学理学院应用物理系,南京210094) (2018年3月19日收到;2018年4月30日收到修改稿) 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 硏究成为当前材料科学领域的硏究热点之一.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 关键词:铁电性,范德瓦耳斯层状材料,共价功能化,钙钛矿氧化物 PACS:7784.-s,81.07.-b,73.22.-f,77.55fp DOI:10.7498/aps.67.20180483 电子的关联也可以导致电偶极矩,从而产生铁电 性,如钙钛矿锰氧化物Pr(Ca)MnO3同以及磁铁矿 Fe3O4同和电荷阻挫体系LuFe2O4等 铁电材料是指在居里温度以下具有自发极化 近年来,随着制备技术的进步和微电子集成技 且其自发极化的取向能随外加电场的改变而改变 的材料.由于自身结构的原因,铁电体同时具有术的飞速发展,铁电元件的小型化、集成化、功能化 压电性和热释电性,此外一些铁电晶体还具有非 已成为发展趋势,对铁电纳米材料以及纳米尺度铁 线性光学效应、电光效应、声光效应、光折变效应 电性能的研究已成为国际上研究新型功能材料的 等,这些性质使它们成为一类重要的功能材料,在 热点.对于传统的如钛酸钡、钛酸铅等钙钛矿型铁 信息存储记忆、压电换能、电声换能、热释电红外 电材料,当材料的尺寸降低到纳米尺度时,受到表 探测、光波导、介质移相器、压控滤波器等一系列 面异质性对薄膜表面附近极化产生的表面效应以 高新技术领域具有广泛的应用前景,是当前国际高 及表面束缚电荷引起的退极化场、表面力及电学边 新技术材料中非常活跃的研究领域之一1-4.通界条件等尺寸效应的影响,居里温度和极性大小会 常铁电材料根据其铁电相变的微观机制主要可分随着膜片厚度的减小而降低,对于某些铁电薄膜, 为两种类型,即原子位移型铁电和电子型铁电在当其厚度低于某一临界值时,薄膜的铁电性能可能 传统的原子位移型铁电体中,自发极化的产生主要会完全消失1.如何在低维度下设计和制备室 是由于阴阳离子的位移,包括原子平衡位置相对于温下可用的纳米铁电材料,提升铁电材料的功能 顺电相发生了偏移的位移型相变以及原子在顺电获得高性能铁电薄膜是开发纳米级电子器件的 相有多个平衡位置无序分布、而在铁电相则趋 大挑战 有序化的有序-无序型相变.在强关联电子系统中 另一方面,自石墨烯2004年被成功制备以来 *因家自然科学基金(批准号:11604146,5152206,11574151,11774173)、江苏省自然科学基金(批准号:BK20130031)和教育部 新世纪优秀人才计划(批准号:NCET-12-0628)资助的课题 t通信作者.E-mail:ekan@just.edu.cn ◎2018中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulicb.iphy.ac.cn 157701-1物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 15 (2018) 157701 多铁性: 物理、材料及器件专题 低维铁电材料研究进展∗ 胡婷 阚二军† (南京理工大学理学院应用物理系, 南京 210094) ( 2018 年 3 月 19 日收到; 2018 年 4 月 30 日收到修改稿 ) 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. 关键词: 铁电性, 范德瓦耳斯层状材料, 共价功能化, 钙钛矿氧化物 PACS: 77.84.–s, 81.07.–b, 73.22.–f, 77.55.fp DOI: 10.7498/aps.67.20180483 1 引 言 铁电材料是指在居里温度以下具有自发极化 且其自发极化的取向能随外加电场的改变而改变 的材料. 由于自身结构的原因, 铁电体同时具有 压电性和热释电性, 此外一些铁电晶体还具有非 线性光学效应、电光效应、声光效应、光折变效应 等, 这些性质使它们成为一类重要的功能材料, 在 信息存储记忆、压电换能、电声换能、热释电红外 探测、光波导、介质移相器、压控滤波器等一系列 高新技术领域具有广泛的应用前景, 是当前国际高 新技术材料中非常活跃的研究领域之一 [1−4] . 通 常铁电材料根据其铁电相变的微观机制主要可分 为两种类型, 即原子位移型铁电和电子型铁电. 在 传统的原子位移型铁电体中, 自发极化的产生主要 是由于阴阳离子的位移, 包括原子平衡位置相对于 顺电相发生了偏移的位移型相变以及原子在顺电 相有多个平衡位置无序分布、而在铁电相则趋于 有序化的有序 -无序型相变. 在强关联电子系统中, 电子的关联也可以导致电偶极矩, 从而产生铁电 性, 如钙钛矿锰氧化物Pr(Ca)MnO3 [5] 以及磁铁矿 Fe3O4 [6] 和电荷阻挫体系LuFe2O4 [7] 等. 近年来, 随着制备技术的进步和微电子集成技 术的飞速发展, 铁电元件的小型化、集成化、功能化 已成为发展趋势, 对铁电纳米材料以及纳米尺度铁 电性能的研究已成为国际上研究新型功能材料的 热点. 对于传统的如钛酸钡、钛酸铅等钙钛矿型铁 电材料, 当材料的尺寸降低到纳米尺度时, 受到表 面异质性对薄膜表面附近极化产生的表面效应以 及表面束缚电荷引起的退极化场、表面力及电学边 界条件等尺寸效应的影响, 居里温度和极性大小会 随着膜片厚度的减小而降低, 对于某些铁电薄膜, 当其厚度低于某一临界值时, 薄膜的铁电性能可能 会完全消失 [8−11] . 如何在低维度下设计和制备室 温下可用的纳米铁电材料, 提升铁电材料的功能, 获得高性能铁电薄膜是开发纳米级电子器件的一 大挑战. 另一方面, 自石墨烯2004年被成功制备以来, ∗ 国家自然科学基金 (批准号: 11604146, 51522206, 11574151, 11774173)、江苏省自然科学基金 (批准号: BK20130031) 和教育部 新世纪优秀人才计划 (批准号: NCET-12-0628) 资助的课题. † 通信作者. E-mail: ekan@njust.edu.cn © 2018 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 157701-1