鐵酸鉍(BFO)作為主流的鐵電材料之一，在信息存儲、自旋電子器件和傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景�！捌骷唇缑妗笔侵Z獎得主Herbert Kroemer對微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的簡潔概括，氧化物界面被認為有望替代半導體界面成為下一代電子器件的基礎(chǔ)。在電子器件小型化、薄膜化的發(fā)展趨勢下，越來越多的電子器件采用薄膜形態(tài)，仔細研究薄膜表面界面結(jié)構(gòu)對于構(gòu)建高性能新型器件具有重要的指導意義。 中國科學院上海應(yīng)用物理研究所楊鐵瑩副研究員（第六批會員）等利用原位變溫掠入射X射線衍射和X射線反射率等技術(shù)深入研究了(111)取向的鐵酸鉍薄膜的表面界面結(jié)構(gòu)和相變。發(fā)現(xiàn)鐵酸鉍薄膜內(nèi)部和表面都是單疇結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。為解決通用應(yīng)變模型不適用于包含表面層的薄膜的問題，在通用應(yīng)變模型的基礎(chǔ)上，首次加入了表面項，構(gòu)建了新的應(yīng)變模型。根據(jù)新的應(yīng)變模型和掠入射衍射結(jié)果（圖2(a)所示），很好的擬合出了薄膜不同深度的應(yīng)變梯度，如圖2(b)所示，明顯看出薄膜表面2-3 nm的區(qū)域存在巨大的應(yīng)變梯度。表面應(yīng)變梯度近似107 m-1，比薄膜內(nèi)部大2-3個量級，巨大的表面應(yīng)變梯度導致具有較低電子密度的表面層的產(chǎn)生。圖3為根據(jù)變溫掠入射衍射結(jié)果得到的，在0.05° 和 0.4° 兩個掠入射角下，BFO[11-2]方向的晶面間距隨溫度的變化，分別對應(yīng)薄膜表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)薄膜內(nèi)部晶面間距隨溫度呈線性變化，而表面晶面間距則在300°有一個突變，并且隨著溫度降低至室溫，并不能恢復，表明該相變?yōu)椴豢赡嫦嘧�，該相變很可能也來源于表面巨大的撓曲電場。變溫實驗后，表面�?yīng)變梯度明顯減小，表面層明顯變薄，從2.3nm變?yōu)?span style="overflow-wrap: break-word;padding: 0px">1.8nm。 通過應(yīng)變梯度可以估計撓曲電場，而撓曲電場與矯頑電場和退極化場相當，因此通過測量撓曲電場可以估計不易測量的退極化場。通過調(diào)節(jié)薄膜內(nèi)的應(yīng)變梯度，可以控制薄膜的表面層和物理性質(zhì)，該研究對于構(gòu)建基于鐵酸鉍薄膜的高性能新型器件具有重要指導意義。以上工作獲得中國科學院青年創(chuàng)新促進會和國家自然科學基金的經(jīng)費支持。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在國際期刊ACS Applied Materials & Interfaces 雜志上（ACS Appl. Mater. Interfaces (2017), 9, 5600-5606.），青促會會員楊鐵瑩副研究員為文章的第一作者。
圖 1. (a) BFO薄膜在(111)倒格點附近的面外倒空間掃描圖；(b)掠入射角為0.2°時，(1-10)倒格點附近的倒空間掃描 
圖 2. (a) 變溫實驗前后[11-2]方向面內(nèi)晶面間距隨掠入射角的變化；(b) 變溫實驗前后[11-2]方向應(yīng)變梯度隨穿透深度的變；內(nèi)圖：圖6(b)局部放大圖. 
圖 3. 在0.05° and 0.4° 兩個掠入射角下，BFO[11-2]方向的晶面間距隨溫度的變化；紅色箭頭代表升溫，藍色箭頭代表降溫
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