铁酸铋(BFO)作为主流的铁电材料之一，在信息存储、自旋电子器件和传感器等领域具有广阔的应用前景。“器件即界面”是诺奖得主Herbert Kroemer对微电子产业发展的简洁概括，氧化物界面被认为有望替代半导体界面成为下一代电子器件的基础。在电子器件小型化、薄膜化的发展趋势下，越来越多的电子器件采用薄膜形态，仔细研究薄膜表面界面结构对于构建高性能新型器件具有重要的指导意义。

中国科学院上海应用物理研究所杨铁莹副研究员（第六批会员）等利用原位变温掠入射X射线衍射和X射线反射率等技术深入研究了(111)取向的铁酸铋薄膜的表面界面结构和相变。发现铁酸铋薄膜内部和表面都是单畴结构（如图1所示）。为解决通用应变模型不适用于包含表面层的薄膜的问题，在通用应变模型的基础上，首次加入了表面项，构建了新的应变模型。根据新的应变模型和掠入射衍射结果（图2(a)所示），很好的拟合出了薄膜不同深度的应变梯度，如图2(b)所示，明显看出薄膜表面2-3 nm的区域存在巨大的应变梯度。表面应变梯度近似10⁷ m^-1，比薄膜内部大2-3个量级，巨大的表面应变梯度导致具有较低电子密度的表面层的产生。图3为根据变温掠入射衍射结果得到的，在0.05° 和 0.4° 两个掠入射角下，BFO[11-2]方向的晶面间距随温度的变化，分别对应薄膜表面和内部的结构。发现薄膜内部晶面间距随温度呈线性变化，而表面晶面间距则在300°有一个突变，并且随着温度降低至室温，并不能恢复，表明该相变为不可逆相变，该相变很可能也来源于表面巨大的挠曲电场。变温实验后，表面应变梯度明显减小，表面层明显变薄，从2.3nm变为1.8nm。

通过应变梯度可以估计挠曲电场，而挠曲电场与矫顽电场和退极化场相当，因此通过测量挠曲电场可以估计不易测量的退极化场。通过调节薄膜内的应变梯度，可以控制薄膜的表面层和物理性质，该研究对于构建基于铁酸铋薄膜的高性能新型器件具有重要指导意义。以上工作获得中国科学院青年创新促进会和国家自然科学基金的经费支持。相关研究结果发表在国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces 杂志上（ACS Appl. Mater. Interfaces (2017), 9, 5600-5606.），青促会会员杨铁莹副研究员为文章的第一作者。

图 1. (a) BFO薄膜在(111)倒格点附近的面外倒空间扫描图；(b)掠入射角为0.2°时，(1-10)倒格点附近的倒空间扫描

图 2. (a) 变温实验前后[11-2]方向面内晶面间距随掠入射角的变化；(b) 变温实验前后[11-2]方向应变梯度随穿透深度的变；内图：图6(b)局部放大图.

图 3. 在0.05° and 0.4° 两个掠入射角下，BFO[11-2]方向的晶面间距随温度的变化；红色箭头代表升温，蓝色箭头代表降温