[论文解读] Synthesis of ferroelectric LaWN3 -- the first nitride perovskite

Kevin R. Talley, Craig L. Perkins+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2020

Perovskite Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本文首次实验合成了氮化物钙钛矿——镧钨氮化物（LaWN₃），其具有稳定、无氧、极性钙钛矿结构。通过光谱学、散射及扫描探针显微镜技术，作者证实其具有显著的压电响应以及强烈的铁电性证据，确立了LaWN₃作为首个稳定的铁电性氮化物钙钛矿，具有在氮化物基射频电子器件中集成应用的潜力。

ABSTRACT

Next generation telecommunication technologies would benefit from strong piezoelectric and ferroelectric response in materials that are compatible with nitride radio-frequency electronic devices. Ferroelectric oxides with perovskite structure have been used in sensors and actuators for half a century, and halide perovskites transformed photovoltaics research in the past decade, but neither of them is compatible with nitride semiconductors. Nitride perovskites, despite numerous computational predictions, have not been experimentally demonstrated and their properties remain unknown. Here we report the experimental realization of the first nitride perovskite: lanthanum tungsten nitride (LaWN3). Oxygen-free LaWN3 thin films in a polar perovskite structure are confirmed by spectroscopy, scattering, and microscopy techniques. Scanning probe measurements confirm a large piezoelectric response and strongly suggest ferroelectric behavior, making it the first stable nitride ferroelectric compound. These results should lead to integration of LaWN3 with nitride semiconductors for wireless telecommunication applications, while enabling synthesis of many other predicted nitride perovskites.

研究动机与目标

• 通过合成一种铁电性氮化物钙钛矿，弥合钙钛矿材料与氮化物半导体技术之间的差距。
• 克服长期以来实验实现预测的氮化物钙钛矿的挑战，尽管已有大量计算预测，但此前尚未实现。
• 在与III族氮化物电子器件兼容的无氧钙钛矿结构中，展示铁电性和压电性。
• 为未来开发用于先进电子与光子应用的功能性氮化物钙钛矿奠定基础。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法，在氮气富集条件下于蓝宝石衬底上外延生长LaWN₃薄膜，以防止氧化。
• X射线衍射和电子背散射衍射证实了薄膜的钙钛矿晶体结构及其外延质量。
• X射线光电子能谱验证了无氧存在，并确认了W⁵⁺和N³⁻的氧化态。
• 采用扫描探针显微镜结合压电响应力显微镜（PFM）探测局部铁电畴并测量压电响应。
• 同步辐射X射线散射与透射电子显微镜在原子尺度上提供了结构与化学特征表征。
• 理论分析支持LaWN₃钙钛矿结构的稳定性和极性特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在氮化物基材料体系中合成一种稳定、无氧的钙钛矿结构？
• RQ2 所合成的LaWN₃是否表现出适合器件集成的铁电性和压电性？
• RQ3 是否通过多种互补的表征技术确认了LaWN₃的钙钛矿结构？
• RQ4 能否在受控生长条件下稳定氮化物钙钛矿，以推动未来功能性材料的发展？
• RQ5 首个实验实现的氮化物钙钛矿的电子结构与几何结构特征是什么？

主要发现

• LaWN₃成功以单相、无氧、高质量结晶性的钙钛矿结构制备为薄膜。
• X射线衍射与电子背散射图案证实了钙钛矿结构，其晶格参数与理论预测一致。
• X射线光电子能谱证实无氧存在，并检测到W⁵⁺与N³⁻，支持氮化物钙钛矿的化学计量组成。
• 扫描探针显微镜显示显著的压电响应，电场作用下可测量到明显的面外位移。
• 偏振PFM测量显示可切换的铁电畴，表明LaWN₃中存在铁电性的强证据。
• 该材料在环境条件下表现出结构与化学稳定性，支持其在器件应用中的潜力。