铁电中间层调制的p-i-n型锰氧化物异质结光电响应特性

In this project, a new perovskite p-i-n heterojunction composed of ferroelectric interlayer (PbZr1-xTixO3, BaTiO3 and BiFeO3) and doped-manganite outer layers (such as p type La-Sr-Mn-O and n type La-Te-Mn-O) is proposed, and its photoelectric properties will be systematically investigated. Firstly, the p-i-n heterostructure is prepared by laser-MBE technology, and the deposition parameters are optimized to adjust the film thickness, crystal structure and oxygen vacancy during epitaxial growth process. Secondly, the relationship between photoelectric properties and the microstructure, stress distribution of the heterostructure is focused on. Thirdly, the photoresponse tuned by ferroelectric domain structure and polarization status are studied. Finally, the effects of magnetic-electric phase transition in manganites and external magnetic field on the photoelectric properties are explored. The mechanisms of band adjusting and nonequilibrium carrier separation, as well as photoinduced interaction between ferroelectric layer and magnetic layer are discovered. These results can provide theoretical and experimental basis for developing novel photo detecting devices.

本项目拟采用激光分子束外延法制备以铁电体PbZr1-xTixO3、BaTiO3和BiFeO3为中间层，掺杂的锰氧化物（如：p型La-Sr-Mn-O、n型La-Te-Mn-O）为双侧半导体层的p-i-n型全钙钛矿结构薄膜异质结，系统研究其光电响应特性。首先，通过优化设计工艺条件，实现对薄膜异质外延结构（厚度、晶体结构和氧缺陷）的主动调控。其次，研究异质结光电响应特性随各层薄膜的微观结构和应力状态的变化规律。再次，研究铁电层的微观电畴结构和极化状态（极化方向和剩余极化强度）对异质结电输运和光电响应性质的调控机制。最后，研究锰氧化物层随温度的磁、电相变以及外加磁场对异质结光电性质的改变规律。结合实验研究和理论分析，全面揭示p-i-n结构中铁电层的能带调控和电荷分离作用机制，以及光诱导下铁电层和铁磁层之间的相互作用。本项目为设计和制造新型光电探测单元提供实验依据和理论指导，有潜在的应用前景。

p-n结是一种重要的光电探测单元，引入中间层（i层）可以有效地优化其光电性能。本项目采用脉冲激光沉积（PLD）等方法制备以铁电体为中间层，半导体材料为双侧层的p-i-n型薄膜异质结，系统研究其铁电调控异质结电输运和光电响应特性。取得了以下主要研究结果：.（1）针对不同类型的以铁电体为中间层的三层异质结构，探索出了优良的PZT、BFO铁电中间层薄膜PLD制备工艺，实现了NSTO基底上钙钛矿铁电薄膜原子层级的外延生长；在此基础上，探索出了PLD、旋涂法、热蒸法等多种生长顶层半导体薄膜的沉积方法及工艺。.（2）探索出了p-i-n异质结电输运和光电响应特性随各层薄膜的微观结构、厚度的变化规律。在LSMO/PZT/NSTO异质结中，实现了温度场、电场和光场等多物理场对异质结特性的调控。在PEDOT/PZT/NSTO 异质结中，探索出了调控性能最好的铁电层化学组分（PbZr0.2Ti0.8O3）和薄膜厚度（8nm），调控的整流比系数可达~1000数量级。在a-Se/PZT/NSTO异质结中，最佳PZT厚度3nm下，双向极化电阻比可达3×10^6。.（3）阐明了铁电层的极化状态对异质结电输运和光电响应性质的调控机制。LSMO/PZT/NSTO和PEDOT/PZT/NSTO异质结有紫外光响应特性，双向极化产生的光暗电流差变化率可达18倍，a-Se/PZT/NSTO异质结有可见光响应特性，且双向极化的光暗电流差变化率可达1000倍。.（4）探索出了锰氧化物相变对异质结性能的影响规律。变温环境下LSMO的相变会改变异质结载流子的输运能力，光暗电流差可从300nA调控900nA。对于PEDOT/BFO/NSTO异质结，在磁场环境下电流开关比可达1×10^3，光暗电流差可达100nA。.本项目的研究结果，揭示了p-i-n结构中铁电层的能带调控和电荷分离作用机制，为设计和制造新型光电探测单元提供实验依据和理论指导，有潜在的应用前景。.项目研究共发表SCI索引论文13篇。授权发明专利10项。