北京科技大學新材料技術研究院、北京材料基因工程高精尖創新中心的研究團隊設計一種新型的層狀結構材料，采用一種簡單的溶液外延生長方法，獲得超薄（低至1nm）鉍氧化物薄膜，并穩定呈現出高的宏觀鐵電性能。研究成果以“Ferroelectricity in layered bismuth oxide down to 1 nanometer”為題，于2023年3月24日發表在《Science》期刊上。北京科技大學為第一研究單位，新材料技術研究院博士研究生楊倩倩為本論文的第一作者，張林興教授和田建軍教授為通訊作者，本工作得到了邢獻然教授和陳駿教授等人的指導。
原子尺度的高密度電子器件，如低維場效應晶體管、納米級低功耗邏輯和非易失性存儲器等，在未來科技發展中具有重要意義。其中，高質量原子尺度鐵電外延薄膜的制備是超尺度、高密度電子器件發展的關鍵環節。近年一些研究報道了原子尺度的鐵電薄膜，例如，具有巨大極化的3個單晶厚的自支撐BiFeO3薄膜 (Nature, 2019, 570, 87)，具有增強鐵電性的1納米Hf0.5Zr0.5O2薄膜 (Nature, 2020, 580, 478)，以及通過降低維度并且利用隧道電阻滯后曲線實現了鐵電性的亞納米級ZrO2薄膜 (Science，2022,376,648)。然而，這些原子尺度的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，也直接決定了它能否應用于電子器件。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，存在成本高等問題。
本工作以螢石結構Bi2O3為基體（圖3），調整其Bi-O層數，得到一系列以鉍氧為骨架的層狀結構m (Bi-O) (m=3, 5, 7)。通過使用基因遺傳算法搜索Bi6On (n=6-12)單胞中每組原子的最低能量的排列，確立Bi6O9層狀結構，該結構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定的結構。引入Sm元素有效穩定了低維下的層狀結構（BSO），實現低至1 nm時該結構仍然穩定存在，并且呈現出標準鐵電滯回線以及優異的鐵電性能。當厚度為1~4.56 nm時，具有較大的鐵電剩余極化（17~50 μC?cm-2）（圖4）。PFM測試結果呈現出明顯的相翻轉。密度泛函理論（DFT）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力導致，從而具有穩定的鐵電性能。
本工作的溶液工程外延薄膜技術，可以在多種基底上實現該體系層狀結構薄膜，如價格低廉的Al2O3和鈣鈦礦SrTiO3基底上。薄膜和基底呈現明顯的外延生長關系，并且所得薄膜具有高結晶質量和原子級平整表面，體現了本工作制備技術的普適性。因此，這項工作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展均具有重要意義，所開發的制備技術也表現出很好的應用前景。
北京工業大學博士生胡敬聰和西班牙巴斯克大學方躍文研究員為共同第一作者，北京工業大學盧岳副研究員為共同通訊作者，合作單位還有以色列特拉維夫大學、上海交通大學、中國科技大學和中國科學院等單位。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5134