北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院、北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心的研究團隊設(shè)計了一種新型的層狀結(jié)構(gòu)材料，采用一種簡單的溶液外延生長方法，獲得超薄(低至1 μm)鉍氧化物薄膜，并穩(wěn)定呈現(xiàn)出高的宏觀鐵電性能。

原子尺度的高密度電子器件，如低維場效應(yīng)晶體管、納米級低功耗邏輯和非易失性存儲器等，在未來科技發(fā)展中具有重要意義。其中，高質(zhì)量原子尺度鐵電外延薄膜的制備是超尺度、高密度電子器件發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

然而，近年來一些研究的原子尺度薄膜都沒有通過電場極化測試，來證明宏觀鐵電滯回線，這是鐵電性真實存在的直接證據(jù)，也直接決定了它能否應(yīng)用于電子器件。此外，原子尺寸外延薄膜通常采用分子束外延、激光氣象沉積以及氣相外延成績實現(xiàn)，存在成本高等問題。

課題組確立了Bi6O9層狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的生成能明顯低于其他化合物，而且具有較寬的禁帶寬度和最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。通過引入Sm元素有效穩(wěn)定了低維下的層狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)低至1 μm時該結(jié)構(gòu)仍然穩(wěn)定存在，并且呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)鐵電滯回線以及優(yōu)異的鐵電性能。當(dāng)該結(jié)構(gòu)厚度為1～4.56 μm時，具有較大的鐵電剩余極化。PFM測試結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的相翻轉(zhuǎn)。密度泛函理論指出該薄膜的鐵電性是由Bi-O孤對電子引起而不是基底應(yīng)力導(dǎo)致，從而具有穩(wěn)定的鐵電性能。

該研究的溶液工程外延薄膜技術(shù)，可以在多種基底上實現(xiàn)該體系層狀結(jié)構(gòu)薄膜，如價格低廉的Al2O3和鈣鈦礦SrTiO3基底上。薄膜和基底呈現(xiàn)明顯的外延生長關(guān)系，并且所得薄膜具有高結(jié)晶質(zhì)量和原子級平整表面，體現(xiàn)了本工作制備技術(shù)的普適性。該研究對于原子尺度薄膜的制備及原子尺度高密度電子器件的發(fā)展均具有重要意義，所開發(fā)的制備技術(shù)也表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。