日本名古屋大学研究人员成功地合成了厚度为1.8纳米的钛酸钡（BaTiO3）纳米片，这是迄今为止为独立薄膜创造的最薄厚度。鉴于厚度与功能有关，他们的发现为更小、更有效的设备打开了大门。

什么是铁电薄膜？怎么制备？

铁电薄膜，是指具有铁电性且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料。铁电薄膜是一种介质薄膜，是重要的功能性薄膜材料，具有铁电效应、压电效应、电光效应、声光效应、热释电效应、非线性光学效应等特性，可利用其中的一种特性或几种特性来制造不同功能的元器件，广泛应用在微电子、光电子等领域。

铁电薄膜可以采用旋涂法、LB膜技术、溶胶凝胶法、磁控溅射法、分子束外延法、气相沉积法、脉冲激光沉积法等工艺进行制备。铁电薄膜主要包括无机铁电薄膜、有机铁电薄膜两大类，材料有钙钛矿、铌酸锂、磷酸二氢钾、酒石酸钾钠、聚偏氟乙烯及其共聚物等。相比较来看，有机铁电薄膜除了具有良好的铁电、压电、热释电等性能外，还有具有柔性好、韧性高、易加工的优点，更受市场关注。

开发具有新电子功能的越来越薄的材料是一个极具竞争力的研究领域。这种装置在铁电体中尤其重要，铁电体是一种具有可被电场逆转的极化作用的材料。这种逆转极化的能力使这些材料在记忆和振动发电方面很有用。

然而，随着这些设备中使用的材料变得更小，它们表现出意想不到的特性，使其工业使用变得复杂。一个大问题是"尺寸效应"，因为当材料的厚度减少到几纳米时，其铁电特性就会消失。

铁电薄膜的尺寸效应

铁电薄膜是一种具有铁电性质的薄膜材料，具有广泛的应用前景，例如传感器、存储器、压电器件等。铁电薄膜的性能很大程度上取决于其尺寸，因此尺寸效应是铁电薄膜研究中的一个重要问题。

尺寸效应通常会导致铁电薄膜的性能发生变化，例如介电常数、铁电畴结构、压电系数等。因此，克服铁电薄膜中的尺寸效应具有重要的研究意义和实际应用价值。

首先是介电常数。由于铁电薄膜的厚度很小，其内部电场很容易受到表面的影响而发生变化，因此其介电常数会出现尺寸效应。通常情况下，铁电薄膜的介电常数随着厚度的减小而增加，这是由于表面极化效应的增强导致的。然而，在一定的厚度范围内，介电常数会达到一个峰值，并在进一步减小厚度时降低，这是由于铁电畴的大小和数量受到限制而导致的。

其次是铁电畴结构。铁电薄膜的铁电畴是指由偏转方向相同的电偶极子组成的区域，这些区域在外部电场的作用下可以发生偏转。铁电畴的大小和数量也会受到铁电薄膜的尺寸限制。在铁电薄膜中，铁电畴的大小通常小于薄膜厚度，因此畴壁和畴相互作用对畴结构的影响变得更加重要。当铁电薄膜的尺寸减小到一定程度时，畴壁的宽度可能会超过铁电畴的大小，导致畴壁的效应变得更加重要，从而对铁电畴结构产生影响。

最后是压电系数。铁电薄膜的压电系数也会受到尺寸效应的影响。压电系数是指铁电材料在外部力或电场作用下产生的电荷和应变的比例。由于铁电薄膜的厚度很小，其内部电场很容易受到表面和界面的影响而发生变化，因此其压电系数也会发生变化。当铁电材料被制成薄膜时，其尺寸变小，通常会出现一系列与厚度有关的物理和化学效应，称为尺寸效应。这些效应在铁电薄膜中尤为显著，因为其厚度通常在几十到几百纳米之间，相较于块体材料更为薄小。

铁电薄膜的尺寸效应影响其结构、晶格、极化方向、矫顽力、介电常数等方面的性质。因此，了解铁电薄膜的尺寸效应对于设计和优化其性能至关重要。

超薄铁电薄膜可被用来制造更小、更高效的电子设备

现在，名古屋大学材料化学系和可持续发展材料与系统研究所（IMASS）的一个团队在Minoru Osada教授的领导下，使用水溶液工艺成功合成了厚度为1.8纳米的具有铁电特性的无缺陷BaTiO3纳米片。该成果是迄今为止最薄的独立薄膜。虽然很薄，但该薄膜表现出铁电特性，代表了在制造薄的铁电活性薄膜方面的一个重要突破。

"然而，对于BaTiO3这种典型的铁电材料，用传统的合成方法很难合成纳米片。因此，有必要开发一种新的合成方法，"Osada说。"一般来说，BaTiO3的合成需要一个煅烧过程，需要1000℃或更高的温度。相比之下，我们用我们的工艺在60℃的低温下合成了BaTiO3纳米片。由于使用这种方法可以通过改变反应时间来控制薄膜的厚度，因此实现了具有2至6个晶格的纳米片的合成。"

"如果能在铁电中合成厚度为几纳米的纳米片，就有望发现新的特性和应用。我们的发现应该为存储器和电容器等设备的小型化提供一种重要技术，由于现有技术在材料和工艺方面都已经达到了极限，像我们这样的技术是至关重要的。它们通过新材料和新工艺的手段提供了性能的大幅提高和技术创新。"

文章来源： cnBeta，新思界网，大壮实验室