鐵電極化調控鐵電薄膜電子穩態輸運過程的研究

《鐵電極化調控鐵電薄膜電子穩態輸運過程的研究》是依託南京大學，由劉治國擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：鐵電極化調控鐵電薄膜電子穩態輸運過程的研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：劉治國
• 依託單位：南京大學

項目摘要

不同於鐵電材料在極化翻轉過程中的瞬態電流，本課題擬研究通過鐵電極化調製鐵電材料內部電子的穩態輸運過程，主要研究內容包括：.(1) 通過摻雜獲得同時具有鐵電和半導體屬性的鐵電半導體，通過鐵電極化調控與二極體、光伏電流、非線性光學關聯的電子穩態輸運過程。.(2) 製備容許電子量子隧穿鐵電薄膜的異質結(包括鐵磁/鐵電/鐵磁隧道磁電阻)，通過鐵電極化調製異質結的隧穿電流，獲得鐵電正/負極化對應高/低電阻、極化翻轉調控穩態電流的新型電致電阻器件。.(3) 研究鐵電半導體和鐵電異質結中鐵電退極化場、缺陷、鐵電疇結構、薄膜厚度對鐵電極化-電子穩態輸運耦合的影響，闡明其耦合機制。.本項目將解決鐵電、半導體、電子量子隧穿交叉學科之間的關鍵基礎性科學問題，為製備鐵電極化調控的新型半導體二極體、電致電阻、磁電阻和自旋電子器件奠定物理基礎。

結題摘要

本課題圍繞“鐵電極化調控鐵電薄膜電子穩態輸運過程的研究”開展工作，重點關注其科學問題，同時探索其器件套用的可能性。項目主要完成了以下四方面的工作：1，鐵電隧道結及其原型器件單元。在BaTiO3、Bi2FeCrO6等鐵電薄膜隧道結中實現了鐵電極化對於隧穿電流的調控，鐵電極化翻轉使得隧道結勢壘高度明顯變化,在La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3/Pt隧道結中0.1V電壓下正反鐵電極化對應的高/低電阻比超過1000%。該隧道結也是一類重要的神經形態器件，可以模擬了認知神經科學中信息處理的主要過程：編碼、訓練、記憶固化以及檢索；在編碼過程中引入“訓練”環節能夠實現記憶固化，有效避免了隨時間推移在檢索時出現誤碼的情況。2，BiFeO3等鐵電半導體及其光伏效應。實現了BiFeO3等鐵電半導體中鐵電極化對其光伏電流的調控，通過鐵電極化翻轉調製耗盡層改變了光伏電流的方向和大小；通過 m-TiO2和NiO幫助分離了BiFeO3薄膜耗盡層中產生的光生電子空隙對，顯著增強了BiFeO3的光伏效應。3，通過最佳化鐵電極化翻轉路徑和鐵電疇精細調控改善鐵電薄膜巨觀性質。生長了BiFeO3、BaTiO3、PZT等外延薄膜，通過外電場、外延應變和外加應力精確調控鐵電極化方向和鐵電極化翻轉路徑，進一步闡明了鐵電極化翻轉、鐵電疇成核和生長的微觀機制，從而降低鐵電極化翻轉的勢壘、抑制鐵電極化翻轉疲勞、增強壓電效應和獲得磁電耦合效應。4，根據中期匯報評審人建議，開展了柔性、透明咪唑高氯酸和PZT等鐵電薄膜的研究，它們在1.4至3.1毫米彎曲半徑下仍然保持了和塊體材料一致的鐵電和壓電性質。Science雜誌編輯Jesse Smith和Kristen Mueller以Lead-Free Film為題撰文評價(Science 344, 237, 2014)：“咪唑高氯酸鐵電薄膜的微觀壓電回響特性可以與PZT鐵電薄膜相媲美”。