单相多铁性外延薄膜及其异质结构的光电性能和调控研究

本项目拟采用脉冲激光分子束外延的方法逐层生长单相多铁性钙钛矿结构薄膜材料及其与具有特大磁电阻效应的混合价锰氧化物的异质多层结构。进一步深入研究Sr和Ba等元素掺杂的BiFeO3和RMnO3（R=Y，Bi和Tb）等单相多铁性薄膜材料光电耦合特性的内在机理，研究元素掺杂和晶格畸变等对其光电性能的影响。利用异质结构对多铁性材料的能带进行"剪裁"和"调制"，实现与混合价锰氧化物材料的层间耦合、多场耦合和界面耦合，研究混合价锰氧化物层相变及与单相多铁层的各种耦合效应对异质结构光电性能的影响，通过微观畴结构的变化探索薄膜材料及其异质结构中光-电之间的耦合效应及可调控性。研究不同外场作用下的光电响应特性，尤其是与光强、偏振、光子能量及温度等参数的依赖关系。通过以上基础性的探索研究揭示单相多铁性薄膜及其异质结构光电性能和调控的内在规律，并为新型光电性能可调控相关器件的研制和应用提供设计思路和原理性支撑。

多铁性材料不但具有多重铁性，而且通过铁电性与铁磁性的相互耦合可能产生新的物理效应, 其内在物理机制及与其它材料耦合作用是材料物理和凝聚态物理等研究领域的热点问题之一，而且基于铁电-铁磁集成效应的新型信息存储处理以及磁电器件具有潜在的应用前景。本项目以单相多铁性（掺杂BiFeO3、YMnO3和TbMnO3等）外延薄膜、相关的过渡金属氧化物薄膜以及相应的异质结构为研究对象，围绕着光电性能及调控机制进行了深入的研究。通过研究掌握了脉冲激光分子束外延逐层生长高质量外延薄膜的方法，并成功制备了系列氧化物材料薄膜和异质结构，较全面的揭示了其电子输运、光诱导效应、光生伏特、光-电-磁之间的耦合效应等重要的物理性能和内在机制，认识了不同外场作用下的光电响应特性，尤其是与光强、偏振、光子能量及温度等参数的依赖关系。发现厚度为47nm的BiFeO3薄膜在473nm的光作用下，其光致电阻相对变化值随着温度的升高而增大，在300K达到2.17*105。TbMnO3/Nb-SrTiO3在365nm光照条件下，在T=40K时异质结的光伏达到0.45V。研究结果促进了氧化物薄膜材料及其相关异质结构性能研究中基础科学问题的解决，为新型全氧化物光电响应和可调控器件的研究和研制奠定了基础。