钙钛矿型锰氧化物薄膜中应力及界面结构对光电效应影响研究

在氧化物薄膜的应用中，存在着大量的表面、界面效应。应力及界面微结构是影响钙钛矿氧化物薄膜物理性质的必然因素。研究证实，钙钛矿锰氧化物的铁电、光电、巨磁电阻等性质对薄膜的微结构非常敏感，通过改变薄膜应变可调制薄膜性能。薄膜结构的界面多、应变多，有增强物理性能的特性。斜切衬底可以诱发晶体的择优取向生长，并且增强其物理性能，衬底斜切角度的大小直接决定了钙钛矿氧化物材料的光电效应。应变能最小化用于解释薄膜的晶貌结构，表面能最小化对单晶薄膜的生长取向起到了决定性作用。本项目拟构建在斜切和正切衬底上外延系列钙钛矿氧化物薄膜，利用同步辐射、倒空间X射线mapping技术、TEM、AFM 、SEM和光电性测定等方法，从薄膜的厚度、应变分布、应力及衬底斜切角度等方面探讨微结构对光电的作用和机制，为优化材料生长条件和提高材料物理性能及应用提供新的实验依据和理论解释。

纳米结构氧化物材料是当前科学研究的热点之一，它们在纳米传感器件等领域具有潜在应用前景。纳米材料中存在大量的表面和界面效应，纳米材料的微观结构是影响其电学光学性质的必然因素。在本项目中主要研究内容是利用同步辐射X射线衍射研究了纳米薄膜厚度对应力应变效应的影响，研究了钙钛矿结构氧化物纳米纤维的微观结构、光电特性和传感性。实验结果表明，薄膜中不存在明显的应力梯度，斜切衬底上生长的薄膜内应力更小。随着薄膜厚度的增加，应变在薄膜内得到弛豫，导致了应力应变的减小。在倒易空间中，薄膜的晶胞中各衍射面都与衬底的晶格具有一一对应外延生长关系，即(002)STO//(004)LSMO, (011)STO//(022)LSMO, (012)STO//(024)LSMO, (013)STO//(026)LSMO, (111)STO//(222)LSMO, (113)STO//(226)LSMO, (112)STO//(224)LSMO和(113)STO//(226)LSMO.体现了薄膜与衬底之间存在晶格失配，以及薄膜的应变弛豫。由致密纳米单晶颗粒组成的低维纳米材料钙钛矿型氧化物连续纤维，具有对湿度敏感的特性，而且在湿度发生变化时，其电阻反应过程是一个超快过程，响应时间约0.7s，恢复时间约0.4s。这对探寻一种感湿性能良好的传感器的研究开发有着深远的意义。氧化物纳米结构纤维与传统的块体材料相比具有更大的比表面积，还具有更大的表面活性和更强的吸附能力，能够加快与气体反应。用其制成的气敏传感器可以提高气敏传感器的灵敏度和响应速度，无需额外加热，在室温下工作的气体传感器件方面对实际应用具有指导意义。