钙钛矿型多铁性薄膜材料应变、微结构和物理性能的原位调控

通过对薄膜材料施加应变使其产生晶格畸变，调控晶格与电荷、自旋、轨道的相互作用，能够诱导出独特的电、磁、光、声、热等物理性能。本项目拟在(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3压电单晶衬底上外延生长多铁性BiFe1-xMnxO3 (BFMO)薄膜。有别于传统的静态调控薄膜应变，我们利用压电单晶衬底的极化和反压电效应对同一薄膜样品的应变状态进行原位调控，实时测量薄膜应变状态的变化对薄膜微结构、剩余极化、矫顽场、疲劳、磁性、铁电畴性质等物理和结构性能的本征影响，建立"应变－微结构－物理性能"三者之间本征的定量关系，揭示应变对该类薄膜材料微结构和物理性能影响的一般规律，澄清BFMO薄膜中有关应变效应有争议的基本科学问题，探索通过"应变调控"提高BFMO薄膜的铁电性能，为该类薄膜材料在新一代非挥发性铁电存储器、多态控制存储器以及自旋电子学器件中的应用提供实验依据和理论指导。

通过对薄膜材料施加应力使其产生晶格应变，能够调控薄膜的电、磁、光、热等物理性能。本项目将多铁性薄膜、锰氧化物薄膜和氧化物稀磁半导体薄膜外延生长在PMN-PT压电单晶衬底上，通过对PMN-PT衬底施加沿厚度方向的电场，调控在其上外延生长的薄膜的晶格应变、载流子浓度、剩余极化、矫顽场、电输运、磁性以及光电转换等性能，取得以下成果：（1）对PMN-PT衬底施加电场，原位调控在其上外延生长的BiFe0.95Mn0.05O3(BFMO)薄膜的铁电性能，发现其矫顽场Ec随着面内压应变的增大而增大，获得了Ec与面内压应变之间的定量关系，进一步发现Ec可以被电场非挥发性调控；（2）对PMN-PT衬底施加电场，原位调控Pt/BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3/PMN-PT铁电光伏电池的光电转换效应，发现对BiFeO3薄膜施加面内压应变可以提高电池的开路电压、短路电流和能量转换效率；（3）发现空间电荷限制电流机制能较好地描述BFMO薄膜的漏电流密度J随电场E的变化曲线，低场下lnJ-lnE曲线斜率接近1，表明导电机制是欧姆机制，高场下的lnJ-lnE曲线斜率接近2，表明高场下的导电机制主要是空间电荷限制电流机制。（4）对PMN-PT衬底施加电场，原位调控在其上外延生长的钙钛矿锰氧化物薄膜的晶格应变和电磁性能，发现面内压应变使得薄膜的铁磁性增强，电阻率减小，电荷有序相变受到抑制，晶格应变与磁场之间以电子相分离为媒介相互耦合，获得了电子相分离强度随磁场的变化规律；（5）对PMN-PT衬底施加电场，原位调控在其上外延生长的ZnO:Mn薄膜的载流子浓度和电磁性能，实现了对ZnO:Mn薄膜电阻、磁阻和磁性的电场调控，发现“氧化物半导体薄膜/PMN-PT单晶”异质结中电场诱导的界面电荷对薄膜性能的调控起主导作用，而晶格应变效应则非常微弱，可以忽略。 .. 项目执行期间共发表SCI检索的学术论文11篇，包括Appl. Phys. Lett. 4篇, Phys. Rev. B 1篇, Adv. Funct. Mater. 1篇和Nano Energy 1篇。