JACS：双轴向分子铁电薄膜中极化方向超快转向

【引言】

铁电体在铁电存储器、电容器、超声影像、压电装置、光电材料等领域中有应用广泛。分子铁电体由于制备简单、无毒等特点是传统陶瓷铁电体的重要补充，多轴向分子铁电薄膜四乙胺高氯酸盐被认为是最有可能解决单轴分子铁电体的性能差的材料，然而它只有在非常低的频率下才能表现出较好的电滞回线，严重阻碍了分子铁电体在铁电存储器中的应用。

【成果简介】

近日，来自东南大学的熊仁根教授、游雨蒙教授（共同通讯作者）等人研究发现，双轴向分子铁电薄膜[Hdabco]ClO₄是有史以来能在高频下进行极化转换的分子铁电薄膜，为分子铁电材料的实际应用打开新的道路。

他们将摩尔比为1：1的dabco与HClO₄试剂溶解在乙醇溶液，经缓慢蒸发得到粉末，将粉末溶解在纯净水中形成溶解度大约100毫克/毫升的溶液，然后沉积在玻璃基板形成薄膜。结果表明，在高达10kHz的高频下，分子铁电薄膜依然保持矩形状的电滞回线。

这项工作打破了分子铁电薄膜只有在低频下才有良好的电滞回线这一现状，激发对高性能多轴分子铁电薄膜进行更深入的研究。分子铁电薄膜的多个极化方向和超快极化转换的特点，为其在铁电随机存储器等设备的实际应用铺平道路。

【图文导读】

图1. 薄膜样品的光学显微图及AFM图

（a、 b）薄膜样品在交叉偏振光下的光学显微镜图（标尺：20um）

（c）薄膜样品表面的AFM图

图2. 室温下薄膜样品在不同交流电频率下的电滞回线

图2显示了室温下薄膜在不同频率下的电滞回线，其中玫红线、绿线、浅红线、墨绿线分别代表电场频率为4kHz、5kHz、6.7kHz、10kHz

图3. 理论计算的不同λ晶体结构的极化强度图

通过密度泛函理论计算方法估算极化强度与无量纲函数结构参数λ之间的函数关系。晶胞自发极化强度从中心对称结构（λ=0时，晶胞结构为中心对称结构）到极性结构（λ=1时，晶胞结构为极性结构）的连续演变，被绘制成与无量纲结构参数λ的函数。

图4. 薄膜样品极化方向仿真模拟图

（a）室温下晶胞（黑色实线构成的轮廓）的极化方向(绿色箭头[010]方向)与四方顺电相晶胞的[110]方向一致（绿色实线构成的轮廓）

（b）四方样品中四个可能等效的极化方向

图5. 水平模式下薄膜样品PFM显微图及相位、振幅与偏压的关系图

（a、c）是薄膜样品PFM垂直模式显微图

（b、d）薄膜振幅图像

（e、f）特定点的相位和振幅是偏压的函数，表示该点的电滞回线

图6. 薄膜样品PFM在形貌、振幅、相模式下的显微图

图6为薄膜样品的极化铁电畴的实验结果，板上每一纵列被按照顺序进行排列，首先是形貌图像（左侧），然后垂直观测面PFM振幅图（中间），最后是薄膜表面图（右侧）。

（a）初始状态

（b）在-40v电压下第一次转向后的扫描显微图

（c）在+40V偏压下第二次转向后的扫描显微图

（d）在-60V偏压下第三次转向后的扫描显微图

（e）在+35V偏压下反转后的扫描显微图

【小结】

室温下分子铁电薄膜[Hdabco]ClO₄存在超快极化转向，在高达10 kHz的高频下其电滞回线依然能够保持良好的矩形状，这为分子铁电薄膜在铁电存储器等实际应用开辟道路。分子铁电薄膜因其易制备，质量轻，环境友好型，超快的极化转向将使其成为应用于新一代电子产品的最佳候选。

文献链接：Ultrafast Polarization Switching in a Biaxial Molecular Ferroelectric Thin Film: [Hdabco]ClO₄ (dabco = 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane)（J. Am. Chem. Soc, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b10595）

本文由材料人电子电工学术组灵琦供稿，材料牛整理编辑。

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