缺陷富集型铁电晶体的可控制作及其物理性质研究

This present project aims at developing methods to tune and improve the ferroelectric and physical properties of ferroelectric crystals by introducing artificial microstructural defects. Barium titanate (BaTiO3, a typical prototype ferroelectric) crystals with enriched defects of various types will be created by means of UV irradiation, thermal treatment, stress and electrical fields. We will first concentrate on understanding the thermodynamic behaviors of defect formation with emphasis on nucleation, growth, multiplication, and accumulation. We will further examine the microstructural aspects of the samples and their relationship with the ferroelectric and physical properties on the basis of the ferroelectric phenomenological theory and semiconductor band theory. We hope that this study will find some new methods that can be utilized to improve the performance of perovskite ferroelectric crystals. This project is the frontier of modern ferroelectrics. Its outcome will pave ways for developing novel ferroelectric devices and electronic devices based on perovskite materials.

项目针对如何利用微结构缺陷调制铁电功能晶体物理性质这一难题，以铁电唯像理论（LGD）和半导体理论为指导，以典型的钛酸钡铁电单晶为研究对象，系统研究紫外辐照、热处理、应力、电场等因素对晶体材料中缺陷成核、生长、增殖、积聚等行为的影响机制。在此基础上研究掌握其微结构特征并制作缺陷富集型铁电晶体，结合铁电性能测试、压电探针技术、多普勒振动微区测试、半导体性能测试等分析方法，从铁电唯像理论和半导体带结构特征两个方面深入研究缺陷聚集结构对各种物理性质的调控机理，最终希望总结得到若干能够有效提升钙钛矿型铁电晶体性能的新途径和新规律。项目是铁电学基础研究的前沿课题，研究成果对于新型铁电器和钙钛矿结构的功能器件的设计、制作和应用具有一定的指导意义。

项目依据铁电和压电半导体晶体材料性质对局域应变场十分敏感的特点，研究了微结构缺陷及其图形结构对调控压电、光电及其他物理性能的方法。项目实施期间，课题组开发了几种具有独立自主知识产权的表面加工方法，研发了相应的加工设备和技术；以此为基础，系统研究了紫外辐照、周期性塑性形变及相应的图形结构对铁电和压电晶体材料中缺陷行为的影响机制，结合微结构分析，光电、压电等性能测试技术和手段，从半导体能带结构、第一性原理、铁电唯像理论等几方面深入研究缺陷及其图形结构对其宏观物理性质的调控原理和变化规律，取得了一定的研究成果，主要包括：1）实现了钛酸钡、铌酸锂和氧化锌中氧空位的紫外-红外光的全光辐照调控；2）利用塑性应变周期图形技术提升了铌酸锂压电系数并实现了砷化镓等离激元耦合及白光发射；3）发现并证明氧原子缺陷对亲水性转变的集体行为并实现了等离激元与氮化镓极性场耦合提高光探测效率的方法。部分成果对于新型压电、微流控和自清洁器件的设计、制作和应用具有一定的指导意义。