四川大学材料科学与工程学院施奇武副教授与美国加州大学伯克利分校R. Ramesh教授课题组、宾州州立大学L. Q. Chen教授课题组等合作，在Nature Communications期刊发表题为“The role of lattice dynamics in ferroelectric switching”的研究论文。该工作通过实验与理论计算结合，较基础性的阐明了外延衬底clamping束缚对铁电（多铁）薄膜极化开关特性的影响机制，提出了大幅降低BFO铁电极化开关电压的新途径。施奇武副教授为论文第一作者和共同通讯作者。

  BiFeO3(BFO)是已知的唯一具有室温磁电耦合的单相材料，且具有较大的铁电极化，可在室温实现电写磁读，是用于研发后摩尔时代低能耗、高读写速度、高密度信息存储以及自旋电子器件等的理想材料。降低BFO薄膜的铁电极化开关电压是其进一步实现超低能耗电子器件的关键。现有研究通过减小薄膜尺寸、化学掺杂、外延调控等，可以将BFO的极化开关电压降低至200 mV左右，但尚无法突破该极限。

  该研究基于脉冲激光沉积系统设计制备BFO/锶钌氧（SRO）/镧锶锰氧（LSMO）/钛酸锶（STO）高质量外延薄膜，将LSMO层刻蚀掉后，通过lift-off工艺将薄膜从STO衬底剥离、实现freestanding状态，随后转移至Pt/Si衬底（图1）；在此过程中，BFO仍保持良好外延特征，但是发生轻微晶格畸变，c值减小、a值增大，表现出无衬底束缚后的relaxed特性。结合PFM测试和相场模拟发现，去除衬底束缚后，BFO中发生铁弹畴消失和铁电畴长大（图2a、b），可以由此减小BFO铁电极化翻转过程中畴长大遇到的阻力。进一步通过超快铁电极化特性测试分析，证实freestanding可以大幅降低BFO的铁电极化开关电压约40%（图2c、d），并可提高极化开关速度约60%（图2e、f）。研究成果为进一步实现超低功耗铁电（多铁）器件提供了普适性的试验和理论依据。

图1 BFO外延薄膜的HR-TEM结构（a），无衬底束缚（b）及衬底束缚（c）状态示意图

图2 BFO外延薄膜从衬底lift-off前(a)、后(b)的PFM图；不同厚度BFO薄膜从衬底lift-off前后的极化强度-电压（P-V）图：(c)60nm厚度、(d)30nm厚度；(e-f)不同厚度薄膜lift-off前后的极化开关速度变化情况

  该研究得到“四川大学优秀青年教师国际名校、名师访学”项目、四川大学双百人才计划（B类）的支持。

  文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28622-z

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