[發明專利]一種基于機械應變調控BaTiO3

有效

• 申請號: 202010199097.9
• 申請日: 2020-03-20
• 公開（公告）號: CN111370567B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 仲崇貴;顧小偉;朱森杰;楊民民;李祥彪;周朋霞
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: H10N30/853
• 分類號: H10N30/853;H10N30/045
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 許潔

本發明公開了一種基于機械應變調控BaTiOsubgt;3/subgt;鐵電薄膜中極化旋轉的使用方法，包括襯底和BaTiOsubgt;3/subgt;薄膜，薄膜設置在襯底上方，薄膜沿著[001]方向進行生長，對薄膜進行預極化處理，對四方相襯底外加雙軸等效面內應力，導致鐵電薄膜極化在面內向c軸方向翻轉；襯底的壓應變增大，極化取向完全翻轉到沿c軸方向時，繼續增加襯底應力，導致沿c軸方向的極化增大，方向不變；應力作用達到足以使極化取向完全沿c軸時，再逐步減小應力，記錄不同應力作用下，薄膜鐵電極化的大小、方向。本發明通過改變襯底應變，借助襯底與薄膜間的應變耦合的雙軸等效應變調控，實現鐵電自發極化面內旋轉，并且可用于對BaTiOsubgt;3/subgt;薄膜中的極化旋轉調控，也適用于較小BaTiOsubgt;3/subgt;體材料中極化面內轉動調控。

技術領域

本發明涉及電介質材料應用領域，具體涉及如何施加不同應力來調控鐵電極化在面內的旋轉，具體為一種基于機械應變調控BaTiO₃鐵電薄膜中極化旋轉的使用方法。

背景技術

鐵電材料的應用極其廣泛，作為電介質材料，由于其具有很高的電容率，低電導、自發極化、電光、壓電等性能，因而廣泛用于信息存儲、壓電傳感、大容量的電容、光顯示、光調制等領域的器件設計和制造。而作為數據信息存貯功能實現的基本理論依據，在介電存儲時，現在普遍利用的是在鐵電材料中通過外電場調控的自發極化的上下翻轉，實現的“0”和“1的兩態存貯。

電場和應變作為極化調控的兩個基本手段，已經得到廣泛的研究和采用。特別是近幾年來對應變的研究發現，應變不僅可以調控電介質的結構相變、光學性質，極化大小，鐵電轉變溫度，還可以調控其介電和壓電性質，有利于實現這些物理性能的優化和提升。

事實上，隨著現代實驗設備性能的不斷提升，實驗技術的不斷進步，實驗條件的改善使得人們對原子層級的應變操控也能成功實現。為了獲得理想的物理性質，研究人員探索出多種應變調控的方式和手段，包括：外加靜水壓、通過失配的襯底晶格調控面內單軸或雙軸應變、在表面施加垂直壓力、通過原子的替位摻雜或填隙摻雜制造材料內部化學應變等等。施加不同類型的應變，對這些物理性能的提升和改進作用效果不同，當然有些甚至具有反作用。雖然應變能調控的性能很多，應變通過調控材料晶體結構對稱性，改變材料內部的電子能帶結構，從而實現對宏觀物理性能的調控。通常，外加拉應變可以調控鐵電極化的轉動，但難以保證是面內旋轉。

發明內容

本發明的目的是為了提供一種基于機械應變調控BaTiO₃鐵電薄膜中極化旋轉的使用方法，通過對襯底施加雙軸等效應變，借助襯底與薄膜間的應變耦合，實現鐵電自發極化的面內旋轉，并且既可用于對BaTiO₃薄膜中的極化旋轉調控，也適用于較小BaTiO₃體材料中極化面內轉動調控。

為了實現上述發明目的，本發明采用了以下技術方案：一種基于機械應變調控BaTiO₃鐵電薄膜中極化旋轉的使用方法，包括襯底和BaTiO₃薄膜，所述薄膜設置在襯底上方，具體操作如下：薄膜沿著[001]方向進行生長，先對薄膜進行初始極化，再對四方相襯底外加雙軸等效面內應力，襯底應變通過界面晶格失配傳遞至薄膜，使得薄膜受到的張應變逐漸變小，導致薄膜極化在(10)面內向c軸方向翻轉；當襯底的壓應變增大到-3％時，極化取向完全翻轉到沿c軸方向，繼續增加襯底應力，導致沿c軸方向的極化增大，但方向不變，注意襯底四個方向的應力同步等值增加；當應力作用達到足以使極化取向完全沿c軸時，逐步減小應力，記錄各個應力作用下，鐵電薄膜極化的大小和方向。

優選的，所述BaTiO₃薄膜通過外延方法生長于[001]方向的四方襯底上，所述薄膜的厚底小于等于100um。

優選的，所述BaTiO₃薄膜進行初始極化：將薄膜放置于沿對角線方向的電場作用下，逐漸加大電場，并實時測量薄膜的極化強度，直至薄膜在電場方向的極化強度不再增加為止。