基于光泵浦太赫兹探测光谱的石墨烯-铁电器件载流子动力学研究

The combination of ferroelectric materials with spontaneous polarization with graphene makes novel devices, such as non-volatile field effect transistor. However, the physical mechanism about their interaction is not fully understood. This proposal will measure the effect of ferroelectric polarization on the dynamics of carriers in graphene-ferroelectric based device by optical-pump terahertz-probe spectroscopy to understand the micromechanism of the graphene-ferroelectric interface. The research mainly includes: (1) measure the dynamics of carriers in graphene-ferroelectric based device under different ferroelectric thin film, different voltage, different temperature and different pump intensity; establish physical model to obtain carrier and phonon information, and analyze the effect of defects and ferroelectric polarization on the carrier dynamics; (2) design the novel graphene-ferroelectric-ferromagnetic device, and discuss the effect of ferroelectric polarization from the magnetoelectric coupling between ferroelectric-ferromagnetic materials on the carrier dynamics. This proposal may be helpful to reveal the physical micromechanism of the new effect and behavior in the graphene-ferroelectric devices, also probably improve performance of such devices, and meantime develop a new means of controlling the graphene devices.

具有自发极化的铁电材料与石墨烯组合可以形成呈现新奇特性的器件，如非易失性的碳基场效应管，但这类复合界面体系新效应的深入机理尚不完全清楚。本项目拟借助光泵浦太赫兹探测超快光谱技术探测铁电极化对石墨烯电导的影响，研究这类器件的超快载流子动力学，深入理解石墨烯/铁电界面上的微观物理机制。研究内容主要包括：（1）测量不同性能铁电薄膜、不同偏置电压、不同测量温度、不同强度的泵浦光下石墨烯光生热载流子弛豫过程，建立物理模型来提取载流子和声子等相关信息，分析器件中缺陷、铁电极化等对载流子动力学的影响。（2）构筑石墨烯/铁电/铁磁结构，探讨外加小磁场下铁电铁磁间磁电耦合效应产生的铁电极化变化对石墨烯载流子动力学的调控机制。本项目的研究有助于揭示石墨烯-铁电器件中新效应和行为出现的物理微观机制，有助于提高此类器件的性能，并有望发展新调控方式的石墨烯器件。

研究石墨烯等材料的载流子动力学特性，尤其是研究和具有铁电极化和非易性的铁电材料组合的器件，发展太赫兹超快调控器件，对促进太赫兹技术进一步发展有着重要意义。本项目在石墨烯铁电结构、基于半导体硅等材料的超快器件、铁电铁磁间的磁电耦合效应对器件的调控方面开展了研究工作。经过项目团队三年的努力，取得了一系列研究成果，主要有：.1、完善和优化了光泵浦太赫兹探测时间分辨光谱测量系统。优化生长了石墨烯、铁电薄膜等样品，研究了石墨烯、石墨烯铁电结构的载流子动力学，研究了在偏置电压作用下，铁电材料应变对石墨烯载流子的调控作用，提出了一种基于石墨烯-介质多层结构的主动调控双带完美吸收结构。.2、利用光泵浦太赫兹探测时间分辨光谱扩展研究了基于半导体硅材料、二氧化钒、有机-无机杂化钙钛矿材料的一系列器件的载流子动力学特性，获得了一系列太赫兹超快调控器件。具体包括设计制作和表征基于硅介质的超快调控超表面，实现了皮秒级的、高调制深度的太赫兹超快开关；研制了一种多功能的太赫兹器件：即在单一器件中实现电开关、光存储和超快调制多种功能；实现选择性地对不同偏振的太赫兹光波进行超快调制；通过研究有机-无机杂化钙钛矿材料的载流子动力学，表征探讨了该类材料的稳定性问题。.3、通过光泵浦太赫兹探测光谱研究了铁磁/铁电即La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3超晶格，发现该超晶格在太赫兹波段的介电特性可通过外部激发光来主动调控。构建了铁电/铁磁/非磁金属异质结，利用铁电铁磁间的磁电耦合效应，实现了通过偏置电压调控铁磁异质结太赫兹辐射信号的强度和偏振特性。