铁电极化调控铁电薄膜电子稳态输运过程的研究

不同于铁电材料在极化翻转过程中的瞬态电流，本课题拟研究通过铁电极化调制铁电材料内部电子的稳态输运过程，主要研究内容包括：.(1) 通过掺杂获得同时具有铁电和半导体属性的铁电半导体，通过铁电极化调控与二极管、光伏电流、非线性光学关联的电子稳态输运过程。.(2) 制备容许电子量子隧穿铁电薄膜的异质结(包括铁磁/铁电/铁磁隧道磁电阻)，通过铁电极化调制异质结的隧穿电流，获得铁电正/负极化对应高/低电阻、极化翻转调控稳态电流的新型电致电阻器件。.(3) 研究铁电半导体和铁电异质结中铁电退极化场、缺陷、铁电畴结构、薄膜厚度对"铁电极化-电子稳态输运"耦合的影响，阐明其耦合机制。.本项目将解决铁电、半导体、电子量子隧穿交叉学科之间的关键基础性科学问题，为制备铁电极化调控的新型半导体二极管、电致电阻、磁电阻和自旋电子器件奠定物理基础。

本课题围绕“铁电极化调控铁电薄膜电子稳态输运过程的研究”开展工作，重点关注其科学问题，同时探索其器件应用的可能性。项目主要完成了以下四方面的工作：1，铁电隧道结及其原型器件单元。在BaTiO3、Bi2FeCrO6等铁电薄膜隧道结中实现了铁电极化对于隧穿电流的调控，铁电极化翻转使得隧道结势垒高度明显变化,在La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3/Pt隧道结中0.1V电压下正反铁电极化对应的高/低电阻比超过1000%。该隧道结也是一类重要的神经形态器件，可以模拟了认知神经科学中信息处理的主要过程：编码、训练、记忆固化以及检索；在编码过程中引入“训练”环节能够实现记忆固化，有效避免了随时间推移在检索时出现误码的情况。2，BiFeO3等铁电半导体及其光伏效应。实现了BiFeO3等铁电半导体中铁电极化对其光伏电流的调控，通过铁电极化翻转调制耗尽层改变了光伏电流的方向和大小；通过 m-TiO2和NiO帮助分离了BiFeO3薄膜耗尽层中产生的光生电子空隙对，显著增强了BiFeO3的光伏效应。3，通过优化铁电极化翻转路径和铁电畴精细调控改善铁电薄膜宏观性质。生长了BiFeO3、BaTiO3、PZT等外延薄膜，通过外电场、外延应变和外加应力精确调控铁电极化方向和铁电极化翻转路径，进一步阐明了铁电极化翻转、铁电畴成核和生长的微观机制，从而降低铁电极化翻转的势垒、抑制铁电极化翻转疲劳、增强压电效应和获得磁电耦合效应。4，根据中期汇报评审人建议，开展了柔性、透明咪唑高氯酸和PZT等铁电薄膜的研究，它们在1.4至3.1毫米弯曲半径下仍然保持了和块体材料一致的铁电和压电性质。Science杂志编辑Jesse Smith和Kristen Mueller以Lead-Free Film为题撰文评价(Science 344, 237, 2014)：“咪唑高氯酸铁电薄膜的微观压电响应特性可以与PZT铁电薄膜相媲美”。