阅读说明：本技术 一种基于磁致伸缩实现BaTiO3薄膜铁电极化转动的使用方法 (Implementation of BaTiO based on magnetostriction3Method for using ferroelectric polarization rotation of thin film ) 是由 仲崇贵 顾小伟 朱森杰 杨民民 李祥彪 周朋霞 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于磁致伸缩实现BaTiO<Sub>3</Sub>薄膜铁电极化转动的使用方法,包括衬底和BaTiO<Sub>3</Sub>薄膜,BaTiO<Sub>3</Sub>薄膜沿着[001]方向外延生长在衬底上,对薄膜需进行单畴化处理,将该生长于衬底上的薄膜放置在垂直于薄膜表面且不断加大的外加电场中,测量薄膜c方向的极化强度,至极化强度不再增加,撤去外电场；将金属导线卷绕在金属芯上,固定在衬底的两侧,导线通过可调电阻连接于直流稳压电源；以初始极化方向作为起始方向,逐渐加大电压,记录铁电极化方向的改变,至铁电极化翻转到平行于薄膜平面；重新接通电源,可通过调控电压进行10进制编码的信息存储或读取。本发明通过磁致伸缩和应变耦合,使得薄膜产生双轴等效应变而驱动铁电薄膜自发极化转动,实现多态存储。(The invention discloses a method for realizing BaTiO based on magnetostriction 3 The method for using ferroelectric polarization rotation of thin film comprises a substrate and BaTiO 3 Film, BaTiO 3 Film is along [001 ]]Directionally epitaxially growing on a substrate, performing single domain processing on the film, placing the film grown on the substrate in an external electric field which is vertical to the surface of the film and is continuously increased, measuring the polarization strength of the film in the c direction until the polarization strength is not increased any more, and removing the external electric field; winding a metal lead on the metal core, fixing the metal lead on two sides of the substrate, and connecting the lead to a direct current stabilized voltage power supply through an adjustable resistor; gradually increasing voltage by taking the initial polarization direction as an initial direction, and recording the change of the ferroelectric polarization direction until the ferroelectric polarization is turned over to be parallel to the plane of the film; the power supply is switched on again and the power supply is switched on again,the 10-system coded information can be stored or read by regulating and controlling the voltage. The invention enables the film to generate biaxial equivalent strain to drive the ferroelectric film to rotate in spontaneous polarization through magnetostriction and strain coupling, thereby realizing multi-state storage.)

一种基于磁致伸缩实现BaTiO3薄膜铁电极化转动的使用方法

技术领域

本发明涉及电介质材料应用领域，具体为一种基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法。

背景技术

铁电材料由于具有自发的铁电极化，较大的压电和电致伸缩性质，在现代信息存储、光电传感等领域具有极其广泛的应用前景。从铁电介质的电滞曲线可见，在电场作用下，极化可实现向上和向下的翻转，根据电存储的基本理论，如果极化向上作为“0”态，那极化向下就构成“1”态，这也是二进制数据存储的基本依据。

随着现代社会的高速发展，大数据要求元器件的集成度要越来越高，功能越来越多，而以二进制为基础的信息存储技术已逐渐地不能满足这种社会发展需求，因此多态存储技术的发展势在必行。近来，中科院金属研究所马秀良课题组在超薄PbZr_0.52Ti_0.48O₃铁电体中发现界面氧八面体耦合调控极化旋转现象，这也为在铁电介质中调控极化旋转提供了一种有效机制。同时极化的连续转动，也为多态存储的实现提供了支撑载体。

通过理论研究，我们发现BaTiO₃铁电薄膜具有双轴等效应变驱动的极化转动特征。也就是说，通过如果给BaTiO₃铁电薄膜外加双轴应变，可实现类似于在超薄PbZr_0.52Ti_0.48O₃铁电体中发现界面氧八面体耦合调控极化旋转现象，从而实现在BaTiO₃薄膜中的多态存储的可能。而对于一个超薄的薄膜来讲，双轴等效应变的施加有多种方法，可以是简单的机械拉伸，可以是借助于薄膜与衬底间的应变传输。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法，通过磁致伸缩和应变耦合，使得薄膜产生双轴等效应变从而驱动铁电薄膜自发极化转动，实现多态存储的有效方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法，包括衬底和BaTiO₃薄膜，所述BaTiO₃薄膜生长固定在衬底上方，具体操作如下：薄膜沿着[001]方向外延生长，所述薄膜的晶格常数大于衬底晶格常数；薄膜受到衬底的压应变作用使得铁电极化有沿c轴方向排列的趋势；对薄膜进行单畴化处理，将该生长于衬底上的薄膜放置在垂直于薄膜表面的外加电场中，然后不断加大电场，测量薄膜c方向的极化强度，直到BaTiO3薄膜的铁电极化强度不再增加为止，撤去外电场；将金属导线卷绕在金属芯上，固定在衬底的两侧，导线通过可调电阻连接于直流稳压电源，电源的电动势的大小以满足电路中电流激发的磁场，导致衬底材料大于等于2%的磁致伸缩应变为参考标准；以初始极化方向作为起始方向，接通电源，逐渐加大电压，记录铁电极化方向的改变，直到铁电极化翻转到平行于薄膜平面为止，断开电源，判断极化方向的转动与电压变化的关系；重新接通电源，通过调控电压，转动铁电极化，进行10进制编码的信息存储或读取，确定外加电压与铁电极化方向间的对应关系。

优选的，所述BaTiO₃薄膜通过外延方法生长于[001]方向的四方衬底上，为了使衬底和薄膜间的晶格有很好的适配，保证薄膜材料的理想化学配比，减小应变传递的损失，薄膜应该在超真空环境中生长，所述薄膜的厚底小于等于10um。

优选的，所述衬底采用具有磁致伸缩性的材料，具体要求如下：（1）极化翻转90^o需要的双轴应变范围为1.5%，衬底材料的磁致伸缩系数为1*10^-2-3*10^-2，可以取部分稀土金属氧化物；（2）选取各向同性的体磁致伸缩材料作为衬底，具有等效的正的横向和纵向磁致伸缩系数；（3）选用四方晶系，且晶格常数比BaTiO₃薄膜晶格常数小1.5%的材料作为衬底。

优选的，将外延生长得到的薄膜置于较强的恒定外电场中进行初始极化，为了保证设定初始极化的方向沿垂直于薄膜表面方向，使得到的薄膜为单相单晶的单畴薄膜，所述外加电场的方向与薄膜表面垂直。

优选的，通过闭合回路中的电流，激发磁场到衬底，由于衬底的磁致伸缩，在衬底中产生大的应变伸缩，然后再通过应变耦合到铁电薄膜，衬底中的双轴等大的应变导致薄膜中也产生双轴等效的应变，从而驱动薄膜的相变和极化转动。

优选的，在整个的应变范围内，BaTiO₃薄膜发生三次相变，经历四个相，其中两个四方相、一个三方相，一个立方相，外加应力驱动极化翻转时，即使界面应变作用下BaTiO₃薄膜中有这些结构相变发生，但由于相变是连续的二级相变，所以极化在垂直于ab的面内翻转时，极化P大小的变化总是连续的，不会发生跃变。

优选的，对BaTiO₃薄膜进行第一性原理计算，测得极化P-应力F的关系，当张应变约为0.75%时，Pz=0，Px=Py，极化在ab平面内达到最大，而随着张应变减小，到压应变增大到0.01，即1%时，Px=Py= 0，Pz到达最大，极化完全翻转到c轴方向。

优选的，所述金属芯片侧面面积略大于衬底的侧面，并且使两侧面的中心平齐。

优选的，以极化强度P沿c轴方向作为初始方向，以极化强度与c轴的夹角 定义极化的转动角度，具体如下：当电压为零时，极化沿着c轴时θ＝0°，逐步 增加电压，当极化方向开始转动时，记录电压值；然后，以铁电极化在面 内每转动10度为间隔，记录一个电压值，直至铁电极化与c轴夹角为θ＝90°， 共记录10个电压值，做出电压-铁电极化翻转角度关系曲线；重复上面的过程， 多次测量取电压平均值。

优选的，由于不同角度对应不同的极化态，通过上面的测量，确立了铁电极化态与电压大小间的对应关系，就可以通过调制外加电压获得所需的量子态；若按上面的测量数据，以变化10度作为一个量子态转换，那在90度转动范围内，就可以获得10个量子态，通过调控电压，转动铁电极化，即可进行10进制编码的信息存储或读取。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法，具有如下有益效果：采用本发明的基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法，通过驱动极化转动实现数据多态存储的可能，因为极化在面内的连续转动，实际对应着无穷个状态，每一个角度都可以是一个存储态；并且该存储态（极化取向）既可通过应变调控，也可通过外加磁场调控，实现磁写电读，根据薄膜与衬底间的应变耦合情况，可以确定外加磁场大小（或外加电压大小）与极化翻转角度的关系，即根据外磁场（或外加电压）的大小决定极化的量子态；本发明结构简单、操作方便，可大大提高集成度，且易于加工，实现信息存储数据量的指数增加。

附图说明

图1为本发明基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法实施例的结构示意图；

图2为本实施例中基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法的结构相变图；

图3为本实施例中基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法的原理示意图。

附图标记：1、薄膜；2、衬底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示为基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法的结构示意图，包括衬底2和BaTiO₃薄膜1，所述BaTiO₃薄膜1固定在衬底2上方，具体操作如下：BaTiO₃薄膜1通过外延方法生长于[001]方向的四方衬底上，为了使衬底2和薄膜1间晶格有很好的适配，保证薄膜1材料的理想化学配比，减小应变传递的损失，薄膜1应该在超真空环境中生长，所述薄膜1的厚底小于等于10um，厚度越薄面积越小越容易得到单晶。对于信息存储方面的运用来说，薄膜1要尽可能薄，乃至只有几个原子层。

衬底2采用具有磁致伸缩性的材料，并且薄膜1的晶格常数大于衬底2晶格常数；具体如下：（1）极化翻转90^o需要的双轴应变范围为1.5%，衬底2材料的磁致伸缩系数为1*10^-2-3*10^-2，可以取部分稀土金属氧化物；（2）选取各向同性的体磁致伸缩材料作为衬底2，具有等效的正的横向和纵向磁致伸缩系数，使得外加磁场在衬底2的两个垂直方向诱导等大的应变伸长，这样可以少加一个方向的磁场；（3）选用四方晶系，且晶格常数比BaTiO₃薄膜1晶格常数小1.5%的材料作为衬底2，两晶格常数相差不大，薄膜1的失配应变小，可实现薄膜1与衬底2间应变的有效传递。

将外延生长得到的薄膜1置于较强的恒定外电场中进行初始极化，薄膜1受到衬底2的压应变作用使得铁电极化有沿c轴方向排列的趋势，为了保证设定初始极化的方向沿垂直于薄膜1表面方向，所述外加电场的方向与薄膜1表面垂直，并对薄膜1进行单畴化处理，使得到的薄膜1为单相单晶的单畴薄膜1。将该生长于衬底2上的薄膜1放置在垂直于薄膜1表面的外加电场中，然后不断加大电场，测量薄膜1c方向的极化强度，直到BaTiO₃薄膜1的铁电极化强度不再增加为止，撤去外电场。

将金属导线卷绕在金属芯上，固定在衬底2的两侧，为了能在衬底2中产生均匀、可调的磁场，所述金属芯片侧面面积略大于衬底2的侧面，并且使两侧面的中心平齐。导线可通过可调电阻、电表和开关连接于直流稳压电源，在本实施例中，导线可通过可调电阻连接于直流稳压电源。电源的电动势的大小以满足电路中电流激发的磁场导致衬底2材料产生2%的磁致伸缩应变为标准。通过闭合回路中的电流，激发磁场到衬底2，由于磁致伸缩，在衬底2中产生大的应变伸缩，然后再通过应变耦合到铁电薄膜1，衬底2中的双轴等大的应变导致薄膜1中也产生双轴等效的应变，从而驱动薄膜1的相变和极化转动。

取极化强度P沿c轴方向作为初始方向，接通电源，逐渐加大电压，记录铁电极化方向的改变，直到铁电极化翻转到完全平行于薄膜1平面为止，断开电源。判断极化方向的转动与电压变化的关系。

如图2所示为基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动的使用方法的结构 相变图，在整个的应变范围内，BaTiO₃薄膜1发生三次相变，经历四个相，其 中两个四方相、一个三方相，一个立方相，如图2中所示，存在的稳定相从张 到压依次为aa相、r相、t相、r相及c相。这些相都是空间反演对称破缺相， 都存在面内自发的铁电极化。外加应力驱动极化翻转时，即使界面应变作 用下BaTiO₃薄膜1中有这些结构相变发生，但由于相变是连续的二级相变，所 以极化在垂直于ab的面面内翻转时，极化P大小的变化总是连续的，不会 发生跃变。

如图3所示为基于磁致伸缩实现BaTiO₃薄膜铁电极化转动使用方法的原理示意图，通过对BaTiO₃材料第一性原理计算，获得应变与极化各分量变化之间的定量关系，测得极化P-应力F的关系，当张应变约为0.75%时，Px=Py，ab面内极化强度达到最大，Pz=0，而随着张应变减小，到压应变增大到0.01，即1%时，Px=Py=0，Pz到达最大，极化完全翻转到c轴方向，在应变改变过程中会发生结构相变，但不影响极化在面内的连续翻转。

重新接通电源，通过调控电压，转动铁电极化，进行10进制编码的信息存 储或读取，确定外加电压与铁电极化方向间的对应关系。以极化强度与c轴的 夹角定义极化的转动角度θ，具体如下：当电压为零时，极化沿着c轴时θ＝0°， 逐步增加电压，当极化方向开始转动时，记录电压值；然后，以铁电极化在面内每转动10度为间隔，记录一个电压值，直至铁电极化与c轴夹角为θ＝90°， 共记录10个电压值，做出电压-铁电极化翻转角度关系曲线；重复上面的过程， 多次测量取电压平均值。

由于不同角度对应不同的极化态，通过上面的测量，确立了铁电极化态与电压大小间的对应关系，就可以通过调制外加电压获得所需的量子态；若按上面的测量数据，以变化10度作为一个量子态转换，那在90度转动范围内，就可以获得10个量子态，从而通过调控电压，转动铁电极化，进行10进制编码的信息存储或读取。

以上是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。