铁电隧穿效应在红外探测中的机理研究

The energy barrier in a ferroelectric tunnel junction is directly related to the polarization of the ferroelectric layer. Thus the barrier height varies with temperature as a result of the pyroelectric effect,so does the current of the junctions under voltage bias. Base on the obove effect, a bolometer infrared detector consisting of a ferroelectric tunnel junction is proposed. The barrier height , the pyroelectric coefficient of the ferroelectric layer in nanometer scale, and the asymmetry in the electrodes of the junctions will determine the temperature coefficient of resistance of the junction. The dependence of the temperature coefficient of resistance on these parameters of the junctions will be studied. Detectors with proper thermal isolation structures will be fabricated. Uncover the mechanism of the infrared detection based on the effect of the tunneling of the ferroelectric tunnel junction The performance of the detectors working at different modes and different voltage or current bias will be investigated. The origins of the noises of the detectors and their dependence on fabrication process and stuctures of the device will be studied.

根据铁电隧道结结区势垒随铁电自发极化强度的变化而改变以及铁电材料的热释电效应，考察隧道结电子隧穿的温度效应,提出研制一种基于铁电隧道结的新型测辐射热计红外探测器。研究铁电隧道结的隧穿电阻温度系数与隧穿势垒高度、纳米厚度铁电层的热释电系数、电极材料不对称性的关系；制备红外探测单元器件，揭示基于铁电隧道结电子隧穿效应的红外探测微观机理,并建立器件性能与器件恒压或恒流工作模式以及偏置电压或电流的关系，揭示器件噪声起源机理。

本项目探索利用铁电聚合物隧道结的隧穿效应来解决当前红外光电技术存在的主要问题，提供一条科学可行的技术路线。项目主要研究内容包括铁电聚合物超薄膜制备与特性、隧道结制备与物理以及在红外光电探测方面的应用等。项目取得了多个研究结果，主要包括：研究了PVDF基薄膜的基本物理特性，发现了一些有趣的物理现象，并进行了分析与解释。发现了P(VDF-TrFE-CFE)在370K附近有一个奇异拐点，对理解其弛豫特性有重要意义。发现了P(VDF-TrFE)在低温下有一个奇特的有序-无序转变，对分析实际应用遇到的问题有帮助。对Langmuir-Blogett（LB）技术进行了多次改进，实现了对PVDF基聚合物单分子层的转移技术，转移一层的厚度控制到了0.5纳米，真正意义上的单分子层。首次制备了有机铁电固态隧道结器件，获得了高电致阻变效应（1000%），并发现了直接量子隧穿效应。制备了PVDF/二维材料异质结器件，发现了PVDF极化可以耗尽低维半导体材料，从而有效抑制暗电流，从而显著提高光电探测灵敏度。同时发现，铁电局域极化电场可以调控半导体禁带宽度，从而使得光电响应拓宽到红外波段。经过多个实验证实，PVDF极化调控低维结构半导体光电特性是一个普适的规律。提出了铁电/半导体隧道结红外光电探测器件，理论分析表明，这个新结构器件可以对光生载流子输运过程进行操控，从而提高载流子寿命，增强光电响应，有望解决目前传统红外光电器件遇到的重要问题。