电镜实验室高鹏等在最薄的钙钛矿铁电薄膜和消失的临界尺寸研究方面取得新进展

铁电薄膜在数据储存、传感、表面催化等方面有着许多应用。铁电体的特征就是具有自发的可翻转的电偶极矩。铁电体的边界处由于结构的不连续性，存在束缚极化电荷的聚集。束缚电荷只有得到了有效的屏蔽，铁电相才能稳定存在。对于铁电薄膜，由于显著的边界效应，界面的极化电荷屏蔽机制基本决定了薄膜器件的物性与应用。长久以来，人们认为铁电薄膜中存在一个临界尺寸。当薄膜的厚度小于临界尺寸，边界的极化电荷会产生一个很大的退极化场，使得铁电相不再稳定。在几十年前，科学家估计临界尺寸有几十纳米至几百纳米。最近十多年来，随着薄膜样品制备技术与表征技术的进步，科学家在越来越薄的钙钛矿铁电薄膜中都证实了铁电极化的存在，即临界尺寸可能只有几个纳米甚至更薄。

北京大学电子显微镜实验室的“青年**”研究员高鹏一直从事利用先进电子显微学技术研究铁电薄膜材料的结构与物性。他们与合作者曾系统地研究过铁电薄膜中畴翻转的动力学过程，以及利用皮米测量精度的定量环形明场像技术研究了钛酸锆铅（PbZr_0.2Ti_0.8O₃）铁电薄膜的表面结构（Nat. Commun. 7，11318，2016）。最近，他们和东京大学、台湾交通大学、武汉大学等合作进一步用定量环形明场像技术精确测量了铁电薄膜中极化强度与厚度的依赖关系。他们在1.5个单胞厚度（约0.6 nm）的钛酸锆铅薄膜中也发现了稳定的极化~16 μC/cm²（约为体材料的17%），这些残留的极化强度主要来自于PbO面。0.6 nm是迄今为止发现的最小的钙钛矿铁电薄膜厚度。研究结果发表在Nature Communications 8，15549，2017，其中高鹏研究员为第一作者和共同通讯作者。该研究结果表明，钙钛矿铁电薄膜中有可能并不存在临界尺寸。

由物理学院俞大鹏院士领导的北京大学“电子光学与电子显微镜实验室”是北京大学的校级大型公共仪器平台，该实验室在学校的大力支持下，于2015年底新购置了两台国际上迄今最先进的球差矫正透射电镜：Nion公司的配置单色仪的U-HERMES200（能量分辨率8 meV）和FEI公司的双球差矫正的Titan Cubed Themis G2 300。与此同时，俞大鹏院士也积极在国际上招募电子显微学方面的青年学者，重点发展电子显微学先进表征技术在功能材料科学方面的应用，进一步提高大型高端仪器的管理水平、提升电镜平台服务效率和使用质量。高鹏研究员就是第一个被引进的“青年**”电镜才俊。高鹏本科在中国科技大学物理系少年班毕业后，跟随王恩哥院士、白雪冬研究员攻读电子显微学方面的博士学位，随后在美国布鲁克外文国家实验室、伯克利劳伦斯国家实验室、日本东京大学等从事博士后研究。高鹏研究员受邀于2015年加盟北京大学电镜实验室，他入职迄今已经发表了2篇Nature Communications以及Nano Letters等创新性研究成果，展示出良好的发展势头。目前，北京大学电子显微镜实验室的FEI双球差矫正电镜正在调试阶段。超高能量分辨的Nion球差矫正电镜预计2017年夏天到货安装。

该研究得到了科技部重点研发项目、国家自然科学基金、2011协同创新中心、中组部“青年**”计划、北京大学电子显微镜实验室等项目经费和单位的重要资助。

(a) 环形明场像的1.5 uc(0.6 nm) PbZr_0.2Ti_0.8O₃(PZT) 薄膜生长在SrTiO₃(STO)衬底上。(b) PbZr_0.2Ti_0.8O₃中残留极化强度与厚度的依赖关系，大致可以分为三个区域。当薄膜厚度小于1nm，依然有部分极化存在。橙色：PbZr_0.2Ti_0.8O₃薄膜在SrTiO₃衬底上。蓝色：PbZr_0.2Ti_0.8O₃薄膜在有SrRuO₃底电极的SrTiO₃衬底上。

编辑：安宁