超薄鐵電體在超級電容器等微納電子領域有著廣泛的應用前景。早在上世紀70年代人們認識到鐵電薄膜中存在著一個臨界尺寸，當薄膜厚度小于這個臨界尺寸時，退極化場的存在使得鐵電薄膜的極化降低或消失。如何維持并進一步增強一定厚度范圍內超薄鐵電體的極化是該領域長期以來面臨的基礎性科學難題。

 

金屬所界面結構研究團隊致力于材料基礎科學問題的電子顯微學研究，經過多年學術積累，研究人員在解決上述科學難題方面近來取得進展。科研人員提出充分利用異質界面兩側不同的自由度，并利用電極能夠屏蔽退極化場的存在等原理，構筑了PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3鐵電電極界面體系。利用具有亞埃尺度分辨能力的像差校正透射電子顯微術，發現不同厚度的PbTiO3超薄薄膜自界面至表面均存在著面外晶格常數增強的現象，更進一步發現，對于1.2nm厚的PbTiO3薄膜，其極化強度增大到50μC cm−2，隨著薄膜厚度逐漸增加，極化也隨之增大；當薄膜厚度大于等于10nm時，極化強度可達到100μC cm−2，遠超出塊體極化值。基于X射線光電子譜分析，提出異質界面極化巨大增強的電荷傳遞機制。該研究結果不僅解決了10納米以下厚度范圍超薄鐵電體極化可維持性的難題，也為探索新型鐵電界面效應提供了嶄新思路，對發展超薄納米鐵電器件具有重要意義。

 

研究工作得到了國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目以及國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）等的資助。相關研究成果在線發表在Advanced Materials上。

 

圖1、3.6nm PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面處的晶格參數和應變分析。顯示出PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面處面外晶格常數（g）以及四方性（h）顯著增加。

 

圖2、不同厚度（1.2nm, 2nm, 6nm, 10nm, 15nm）PbTiO3薄膜的晶格常數（a、b）以及四方性（c）變化，PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3界面處都存在面外晶格顯著拉長現象，四方性（d）以及（e）隨著厚度的變化顯示出當薄膜厚度為1.2nm時極化強度為50μC cm−2。