纳米尺度下铁电材料的极化机制及其与光场的耦合规律

新型铁电极化材料纳米结构的光子学和电子学性质是当前国际研究热点问题。本课题的研究工作将是阐述纳米晶、纳米线和纳米点等低维结构钛酸铋镧和钛酸锶钡铁电材料内部的电子能带结构和物理性质，通过采用椭圆偏振光谱、拉曼散射光谱、荧光光谱以及低温透射和反射技术等新型的光谱学测量为评价手段，系统性地研究它们在纳米尺度下的电子极化微观机制和起源，寻求它们的电子态性质与其空间维度、晶体结构和金属组分比等的依赖关系，进一步通过研究它们在低温下与光场的耦合作用规律，获取这些纳米结构材料的高能临界点跃迁、光学禁带宽度、宏观介电常数以及声子模式等重要物理参数随温度以及纳米尺寸的变化关系，从而探索这些纳米结构极化材料的光子学和电子学之间的内在物理联系，为基于它们的光电子功能器件提供实验依据和技术支撑。对铁电极化材料纳米结构与光场的耦合作用行为等学术成果将在国际上形成一定的影响力。

本项目通过进一步完善极端条件下的深紫外-太赫兹凝聚态光谱测量系统，提升了变温透射、变温反射、变温拉曼、变温荧光、变温椭偏以及变温磁光等凝聚态光谱学的科研能力。本项目主要针对层状钙钛矿结构钛酸铋镧、导电金属氧化物以及稀磁氧化物薄膜等纳米结构材料展开了详细的光电子学研究，通过探索采用脉冲激光沉积及化学溶液法等薄膜制备工艺，在优化高质量纳米结构铁电氧化物和半导体材料的基础上，利用多跃迁光谱技术等手段建立了它们的电荷极化和光电行为与其纳米尺度的依赖关系，从而澄清了以上材料体系中的光学、电学以及磁学等物理规律。本项目创新性地采用与其微观电子能带结构相联系的固体光谱来研究以上纳米结构铁电及氧化物半导体体系中的光电耦合特性，对分析其相变起源以及电荷极化等物理现象具有重要的参考价值。取得的具体成果如下：(1) 优化纳米结构铁电材料的生长工艺，制备出高度规则排列的BLT纳米管结构，并观察到显著的拉曼和荧光增强效应；(2) 实现高质量稀磁氧化物半导体纳米晶薄膜材料的制备，建立起它们的介电函数、声子模式以及禁带宽度等物理参数与组分和掺杂元素相关的一系列物理规律；(3) 针对钙钛矿结构铅基铁电单晶等材料展开系统性的固体光谱学研究，通过引入温度等外场并加以调控，建立了一种判别铁电相变的有效方法。在本项目资助下，负责人领导的课题组受邀出版英文专著章节3章，在国外一流学术刊物上发表SCI收录论文30篇，其中影响因子大于3.0有22篇。申请国家发明专利1项。培养1名博士和3名硕士，在读博士研究生12名以及硕士研究生7名。在本项目资助下，负责人胡志高教授于2010年入选上海市“曙光学者计划”以及2010年获上海高校特聘教授(东方学者)称号及资助。另外，2名博士生获得“教育部博士研究生学术新人奖”；2名博士生获得“研究生国家奖学金”；1名硕士生获得“研究生国家奖学金”等多类奖项。以上突出的学术成果表明负责人出色地完成了本项目的各项任务，且超过了预期目标，完全达到了项目结题验收的要求。