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研究作者及机构
本研究的主要作者包括Qianqian Yang、Jingcong Hu、Yue-Wen Fang等，分别来自北京科技大学材料基因组工程高等研究院、北京工业大学固体微结构与性能北京市重点实验室、西班牙巴斯克大学材料物理中心等多个机构。该研究于2023年3月24日发表在《Science》期刊上，标题为“Ferroelectricity in Layered Bismuth Oxide Down to 1 Nanometer”。

学术背景
本研究属于材料科学与凝聚态物理领域，聚焦于铁电材料（ferroelectric materials）的纳米尺度研究。铁电材料在电子器件中具有重要应用，例如场效应晶体管（field-effect transistors）、低功耗逻辑器件和非易失性存储器（nonvolatile memories）。然而，随着器件尺寸的缩小，铁电材料的临界尺寸效应（critical size effect）成为主要挑战，即在纳米尺度下，材料的铁电性会因去极化场（depolarization field）的存在而丧失。此前的研究表明，传统钙钛矿氧化物（perovskite oxides）在厚度减至几纳米时会失去铁电性。因此，开发能够在纳米尺度下保持铁电性的新材料具有重要意义。本研究旨在设计一种层状铋氧化物（layered bismuth oxide）薄膜，通过钐（samarium, Sm）掺杂实现1纳米厚度下的铁电性稳定，并探索其在纳米电子器件中的应用潜力。

研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. 材料设计与制备
- 研究团队设计了一种层状铋氧化物薄膜，通过去除铋氧化物中的一层铋原子，形成层状结构。
- 采用溶胶-凝胶法（sol-gel method）在多种衬底（如Al2O3和SrTiO3）上制备了Bi1.8Sm0.2O3（BSO）薄膜。
- 通过X射线衍射（XRD）和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对薄膜的晶体结构进行了表征，确认了薄膜的外延生长（epitaxial growth）和高质量结晶性。

1. 铁电性表征

   • 使用正负上下（PUND）模式测量了BSO薄膜的铁电滞回线（ferroelectric hysteresis loop），验证了其在1纳米厚度下的宏观铁电性。
     
   • 通过压电力显微镜（PFM）观察了薄膜的极化翻转行为，证实了其在纳米尺度下的可切换极化特性。
     
   • 测量了薄膜的剩余极化（remanent polarization），发现1纳米厚度的薄膜具有17 µC/cm²的剩余极化，而4.56纳米厚度的薄膜剩余极化高达50 µC/cm²。
     

2. 理论计算与机制分析

   • 采用密度泛函理论（DFT）计算了Bi6O9的结构和能量，发现其具有典型的双势阱能量景观（double-well energy landscape），表明其铁电性来源于铋原子的孤对电子（lone-pair electrons）驱动的对称性破缺。
     
   • 通过电子局域函数（ELF）分析，揭示了铋原子的孤对电子在铁电相变中的关键作用。
     
   • 计算了Sm掺杂对结构稳定性的影响，发现Sm的引入显著降低了结构形成能，并保持了铁电相的稳定性。
     

3. 性能优化与应用探索

   • 研究了薄膜的疲劳特性（fatigue properties）和保持特性（retention properties），发现1纳米厚度的BSO薄膜在高温下仍具有良好的铁电稳定性。
     
   • 探索了薄膜在不同衬底上的生长行为，发现其生长灵活性与衬底类型无关，适合大规模制备。
     

主要结果
1. 1纳米厚度的铁电性
- 研究首次在1纳米厚度的BSO薄膜中观察到了标准的铁电滞回线，证实了其在原子尺度下的铁电性。
- 通过PFM验证了薄膜的极化翻转行为，表明其极化状态可被重写。

1. 高剩余极化

   • 1纳米厚度的薄膜剩余极化为17 µC/cm²，4.56纳米厚度的薄膜剩余极化高达50 µC/cm²，远高于其他纳米铁电薄膜的报道值。
     

2. 理论机制

   • DFT计算表明，BSO薄膜的铁电性来源于铋原子的孤对电子驱动的对称性破缺，Sm掺杂进一步增强了结构的稳定性。
     

3. 性能优化

   • 薄膜在高温下表现出优异的疲劳和保持特性，适合在高温环境中应用。
     

结论
本研究成功设计并制备了一种层状铋氧化物薄膜，通过Sm掺杂实现了1纳米厚度下的铁电性稳定。该薄膜具有高剩余极化和优异的疲劳特性，为纳米电子器件的开发提供了新材料。研究不仅解决了纳米尺度下铁电性丧失的难题，还为未来铁电材料的研究提供了新思路。

研究亮点
1. 原子尺度铁电性
- 首次在1纳米厚度的薄膜中实现了宏观铁电性，突破了传统钙钛矿氧化物的尺寸限制。

1. 高剩余极化

   • 1纳米厚度的薄膜剩余极化为17 µC/cm²，4.56纳米厚度的薄膜剩余极化高达50 µC/cm²，为纳米电子器件提供了高性能材料。
     

2. 理论机制创新

   • 通过DFT和ELF分析，揭示了铋原子孤对电子在铁电性中的关键作用，为铁电材料的设计提供了理论指导。
     

3. 应用潜力

   • 薄膜在高温下表现出优异的疲劳和保持特性，适合在高温环境中应用，具有广泛的应用前景。
     

其他价值
本研究还探索了薄膜在不同衬底上的生长行为，发现其生长灵活性与衬底类型无关，适合大规模制备。此外，研究团队开发了一种低成本、高效的溶胶-凝胶制备方法，为工业化生产提供了技术基础。

以上是本研究的主要内容和价值总结。