应力对铁电薄膜/锰氧化物薄膜异质结的电致电阻效应的影响

铁电/锰氧化物薄膜构成的异质结具有电致电阻（ER）转变率高，转变速度快，转变调控电压低等优点而备受关注。理论研究指出应力会强烈影响异质结的界面势垒高度、界面电势分布等，使得应力成为优化异质结ER效应的重要途径之一。但相关实验研究极度匮乏。申请者在2010年制备出电致电阻ER最大值达到2500的铁电薄膜异质结。本课题拟在此基础上开展实验研究，制备金属薄膜/铁电薄膜/锰氧化物薄膜异质结，研究应力对其ER效应的影响。首先利用具有不同晶格参数的单晶基底制备处于不同静态应力下异质结；其次将用0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-PT)单晶为基底制备异质结，利用PMN-PT的优异压电特性，通过外加电场调控PMN-PT晶格拉伸或收缩，从而在同一个异质结样品中表征ER随动态应力的变化。最后结合数值模拟，综合分析应力对铁电/锰氧化物薄膜异质结的ER效应的影响规律和优化机理。

在国家自然科学基金（项目批准号：11104202）的资助下，我们开展了题为“应力对铁电薄膜/锰氧化物薄膜异质结的电致电阻效应的影响”的研究工作，三年来进展良好，不仅完成了项目原定的计划研究内容，还在该项目取得的进展的基础上开创性地尝试了一些新的研究内容、并取得了一定的进展。首先研究生长于PMN-PT单晶基底上的锰氧化物薄膜的电阻变化规律。发现利用PMN－PT的场效应结构可以连续、动态地在一个薄膜样品中实现薄膜承受的应力状态的连续变化；在超薄（<10 nm）的LCMO薄膜中可以观察到应力调控下的金属－绝缘体转变；低温下（50K）应力调控变化的LCMO薄膜中观察到巨大的电致电阻（(ΔR/R(0)＝70%)数值; 根据实验结果提出了电致电阻－应力之间的关系方程，对多年来前人研究中存在的矛盾结果给出了圆满的解释。其次，采用脉冲激光沉积技术在具有不同晶胞参数的基底上制备了金属/BFO/LCMO薄膜构成的异质结，表征了异质结的结构、成分和电输运性质，重点考察了其电致电阻特性受应力变化的影响规律。结果表明，电致阻变的系数明显依赖于应力的变化，基底面内的压应力会增大电致电阻的系数，而面内的拉应力却使得阻变系数降低。且生长在PMN-PT基底之上的异质结受到的是基底面内的拉应力，拉应力增大会降低电致阻变的系数，反之则提高阻变的系数；铁电单晶基底中的铁电偶极子的翻转会明显影响其上异质结的电输运特性；当PMN-PT基底中偶极子朝下并使LCMO薄膜中的载流子处于耗尽状态时，异质结中的电致阻变系数明显高于对应的载流子积累状态下的阻变系数。该结果表明，金属/铁电薄膜/半导体薄膜中的电致阻变系数受到半导体薄膜中载流子浓度的强烈影响，且半导体薄膜中的载流子浓度越低越有利于异质结的阻变系数的提高。.我们在快速烧结法制备的BFO块体材料中观察到可翻转二极管导电特性，并发现受主离子掺杂的BFO表现出提高的该效应，且随着温度的升高（80oC）,此类可翻转二极管效应转变为阈开关（Threshold Switching）特性。同时我们采用溶胶-凝胶法、静电纺丝法和水热法制备出纳米尺度多铁BFO纳米颗粒和纳米线，并发现特定元素掺杂可以有效地调控BFO材料的带隙值和导电性质，并在特定的掺杂浓度下表现出更明显的可翻转二极管导电特性和阈开关效应，并提出模型给予了解释。