一种控制铁电单晶电致形变取向的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及铁电材料技术领域，尤其设及一种控制铁电单晶电致形变取向的方 法。
【背景技术】
[0002] 某些晶体在一定的溫度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可W随外电场 方向的反向而翻转，运种性质称为铁电性，具有铁电性的晶体称为铁电体（或铁电材料、铁 电体材料）。铁电材料由于其非易失的铁电极化W及压电/逆压电效应，在能量转换和信息 存储方面有着广泛的应用。近年来，薄膜应变调控的研究和复合磁电材料的兴起为铁电材 料的应用带来了重要的潜在场景。在运两种应用中，其基本原理都是：将某种薄膜材料通过 某种方式与铁电材料复合起来，给铁电材料外加电场，铁电体材料在外加电场下发生电致 形变（逆压电效应），该形变通过界面传递到薄膜材料中，从而改变薄膜材料的应变状态及 物性。在复合磁电材料中，就是要通过压磁效应控制薄膜的磁矩大小及取向，从而实现电与 磁的禪合，即电控磁的特性。由于运些应用的界面是水平的，铁电材料在水平方向的电致形 变的大小和方向成为调控上层薄膜的关键。
[0003] 对铁电材料而言，铁电单晶通常具有很大的电致形变量，例如PMN-PT单晶，即 化(Mgi/3Nb2/3)〇3-PbTi〇3固溶单晶，已成为应变调控和复合磁电研究的首选。清华大学赵永 刚等人在Co化B/PMN-PT(001)多铁性异质结中发现了迴线形状的磁化强度-电场关系，表 明Co化B的面内磁化强度可被垂直施加的电场非挥发性调控（P化108, 137203(2012))。 对于表面为严格（001)取向的铁电单晶，铁电畴的109度极化翻转会造成单晶表面内拉 伸方向的90度翻转，即会产生有效的应变效应。然而，上述研究尚不能控制对磁电禪合 有效的Ξ方相PMN-PT的109度极化翻转，其109度极化翻转比例还比较低（最高仅约 为26% )。李晓光等人通过施加横向电场，在衬底面内应变调控下实现了大范围的磁化 强度180度翻转，并且加一个更小的外磁场就可导致完全的面内磁化强度180度翻转 (Adv.Mater. 10, 1002(2014)，但是运种横向加电场的结构难W应用。最近，MingLiu等人 在Ξ方相PMN-PT(110)衬底上的调控研究取得了突破，该衬底铁弹方向在外加电场下可 W实现接近100%的~90度面内旋转，从而可W有效地调控面内磁化强度的翻转（Adv. Mater.，25, 4886,（2013))。但是，运种调控方式的工作电压被限定在一个很窄的范围内，实 际使用非常不便；更重要的是，其应变在面内90度旋转的方向也是事先不确定的。
[0004] 由W上内容可见，人们在控制铁电单晶面内电致形变取向方面尚面临较大的挑 战，对于实现相关新型器件的开发应用而言，解决该问题具有重要的意义和价值。
【发明内容】
阳0化]有鉴于此，本申请提供一种控制铁电单晶电致形变取向的方法，本发明能使（001) 取向铁电单晶中109度有效极化翻转占主要比例，且方法简便易行。
[0006] 本发明提供一种控制铁电单晶电致形变取向的方法，包括W下步骤：
[0007] 将Ξ方相铁电单晶（001)面进行斜切，得到斜切后的单晶；
[0008] 将所述斜切后的单晶在外加电场下进行初始极化，然后在外加反向电场下进行极 化，得到反向极化后的单晶。
[0009] 优选地，所述斜切的方向沿面内[100]方向和/或面内[010]方向。
[0010] 优选地，所述斜切的角度大于0且小于等于45度。
[0011] 优选地，所述外加电场的工作电压值在109度铁电畴翻转电压与单晶击穿电压之 间。
[0012] 优选地，所述斜切后还包括：将斜切后的单晶进行抛光，得到抛光后的单晶；
[0013] 将所述抛光后的单晶在外加电场下进行初始极化。
[0014] 优选地，将所述斜切后的单晶设置两个导电电极，施加电场进行初始极化，得到初 始极化后的单晶；
[0015] 然后对所述初始极化后的单晶施加反向电场进行极化，得到反向极化后的单晶。
[0016] 优选地，所述Ξ方相铁电单晶选自Ξ方相妮儀铁酸铅或Ξ方相妮锋铁酸铅。
[0017] 优选地，所述初始极化还包括施加溫度辅助。
[001引优选地，所述施加溫度辅助的溫度值低于Ξ方相铁电单晶的铁电居里溫度。
[0019] 与现有技术相比，本申请采用斜切方式对Ξ方相铁电单晶（001)面进行处理，使 单晶表面不再是严格（001)取向；运样在上下翻转电场时，109/180度极化翻转的比例会增 大，71度翻转的比例会减小。本发明通过对（001)取向Ξ方铁电单晶施行简单的斜切工艺， 使得表面法向与晶轴不重合，破坏自发极化方向围绕表面法线的对称性，提高109度极化 方向的出现几率，进而实现外加电场下极化翻转路径的控制，即对电致形变取向实现了控 审IJ。因此，本发明可W大幅度提高109度畴转的比例，对磁性薄膜/压电单晶异质结等应变 调控应用提供了新的方案。
[0020] 进一步地，本发明在加溫辅助极化的帮助下，甚至可实现单一 109度畴转路径，解 决了铁电单晶应变方向面内90度旋转的取向不可控问题，运为微观尺度上开展磁性薄膜/ 铁电单晶异质结等应变调控应用提供了更多的调控手段。
【附图说明】
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据 提供的附图获得其他的附图。
[0022] 图1为（001)取向Ξ方铁电单晶中自发极化方向及翻转路径的示意图； 阳02引图2为本发明实施例1选用的（001)取向ΡΜΝ-0. 25ΡΤΞ方铁电单晶中自发极化 方向的示意图；
[0024]图3为本发明实施例1对单晶（001)ΡΜΝ-0. 25ΡΤ铁电体实施单方向斜切后的示意 图； 阳0巧]图4为本发明实施例1对单方向斜切的ΡΜΝ-0. 25ΡΤ铁电体锻上两个电极后的示 意图； 阳0%] 图5为本发明实施例1对单方向斜切ΡΜΝ-0. 25ΡΤ铁电体向上极化后铁电畴的分 布状态图；
[0027]图6为本发明实施例1对单方向斜切PMN-0.25PT铁电体向下极化后铁电畴的分 布状态图； 阳02引图7为本发明实施例2对单晶（001)PMN-0.25PT铁电体实施双方向斜切后的示意 图；
[0029] 图8为本发明实施例2对双方向斜切的PMN-0.25PT铁电体锻上两个电极后的示 意图；
[0030] 图9为本发明实施例2对双方向斜切PMN-0.25PT铁电体向上极化后铁电畴的分 布状态图；
[0031] 图10为本发明实施例2对双方向斜切PMN-0.25PT铁电体向下极化后铁电畴的分 布状态图。
【具体实施方式】
[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033] 本发明提供了一种控制铁电单晶电致形变取向的方法，包括W下步骤：
[0034] 将Ξ方相铁电单晶（001)面进行斜切，得到斜切后的单晶；
[0035] 将所述斜切后的单晶在外加电场下进行初始极化，然后在外加反向电场下进行极 化，得到反向极化后的单晶。
[0036] 本发明通过对（001)取向Ξ方铁电单晶施行斜切，大幅提高了其铁电极化109度 翻转的比例，工艺简单可行。
[0037] Ξ方相铁电单晶的自发极化方向为沿晶胞对角线的八个方向之一，如图1所示， 图1为（001)取向Ξ方铁电单晶中自发极化方向及翻转路径的示意图。参见图1，对表面 为严格（001)取向的单晶施加垂直表面向上的电场时，由于Ri\R2\IC和R/四个方向相对
[001]轴是对称分布的，铁电单晶中数目众多的晶畴的极化取向将沿运四个方向之一，理论 上来说几率是一样的；当对（001)取向的单晶施加垂直表面向下的电场时，铁电畴的极化 方向将沿Ri、R2、Rs和R4四个方向之一，几率也相等。在电场方向上下切换的过程中，极 化方向主要为图1中的71度翻转，由于极化方向即为晶胞/晶畴拉伸方向，因而运种71度 翻转不会造成表面内拉伸状态的变化，即不会产生有效的应变效应。
[0038] 本发明将Ξ方相铁电单晶（001)面进行斜切，得到斜切后的单晶。在本发明中，所 述Ξ方相铁电单晶可选自Ξ方相妮儀铁酸铅（Ξ方相PMN-xPT，x为铁的原子比）或Ξ方相 妮锋铁酸铅（Ξ方相PZN-yPT，y为铁的原子比）等，本发明没有特殊限制。在本发明的一 个实施例中，选取Ξ方相妮儀铁酸铅化(Mgi/sNbw)。. 7sTi。.25〇3(简写为PMN-0. 25PT)作为Ξ 方相铁电单晶的代表，其表面为（001)晶面。在本发明中，所述Ξ方相铁电单晶（001)是表 面为（001)晶面的Ξ方相铁电单晶，（001)晶面的取向沿[001]方向；另外的方向还包括相 互垂直的[010]和[100]两个方向。本发明所述的斜切即沿着与[001]取向轴呈一定夹角 的方向切割；本发明采用斜切的方式，使单晶表面不再是严格[001]取向，打破了Ri\R/、 R/和R/四个方向相对于[001]轴的四重对称性。
[0039] 本发明将所述斜切后的单晶在外加电场下进行初始极化，然后在外加反向电场下 进行极化，得到反向极化后的单晶。本发明如向上加电场极化时，极化沿电场分量大的对角 线方向出现的概率就大，即相应晶畴数目多，相反，电场分量小的方向出现的概率小，即相 应晶畴数目少。由于上下翻转电场时，八个极化方向巧ΛIV、IV、R4邢R1、R2、Rs、R4)的 分布相对晶胞中屯、存在着中屯、对称关系，总体上来说，109/180度极化翻转的比例会增大， 71度（7Γ)翻转的比例会减小，运里，相对比例值由电场E大小、斜切角度和溫度等因素 决定。
[0040] 由于180度翻转不会造成单晶表面内拉伸状态的变化，109度翻转会造成单晶表 面内拉伸方向的90度翻转，本发明优选控制所述斜切的方向沿面内[100]方向和/或面内 [010]方向。在本发明的优选实施例中，所述斜切的角度大于0且小于等于45度，在工作溫 度和电场值范围内保证109度有效翻转占主要比例。在本发明的一个实施例中，可沿[010] 方向斜切14度。
[0041] 本发明可W沿