BiFeO3单层及其异质多层薄膜畴结构调控及电子输运特性

近年来BiFeO3的多铁性引起人们的极大兴趣。在BiFeO3薄膜样品中观察到条纹畴结构和分数维数的畴结构，畴的大小及周期直接影响畴壁处的多铁耦合，进而影响电子的输运特性。本项目一方面采用微纳米加工方法在SrTiO3<100>取向衬底上加工获得微纳图形结构，继而在具有微纳结构的衬底上外延生长BiFeO3单层薄膜，通过这些微纳图形结构产生的应力调控BiFeO3薄膜的畴结构；另一方面，通过生长BiFeO3/SrTiO3异质多层薄膜调控BiFeO3薄膜的畴结构。研究电场或磁场控制下BiFeO3的多铁薄膜的电畴和磁畴结构和电场、磁场或光辐照下BiFeO3的多铁薄膜的电子输运特性。相关研究对于理解多铁之间的耦合机理以及解决在器件应用方面的基础问题都具有重要的意义。

本项目主要围绕BiFeO3等具有钙钛矿结构的多铁材料展开研究。理论方面主要采用第一性原理计算BiFeO3体系各种晶相的晶格与电子结构、体系总能量以及各晶相之间的相转变；实验方面采用射频磁控溅射和脉冲激光沉积等薄膜沉积技术，在多种单晶衬底上生长获得高质量的外延薄膜，通过薄膜X射线衍射技术、扫描电子显微镜、透射电子显微镜分析薄膜结构和取向、表面形貌、薄膜界面等微结构，同时采用低温磁和电学性能测量系统、光谱仪表征获得样品的电、磁和光学性能。研究BiFeO3及其他相关体系的微结构与光电磁性能的关联。主要研究内容包括： 1. 在BiFeO3的基础上进行元素替代研究，并合成了TbFeO3、TbMnO3、FeMnO3和 KMF3 (M=Mn,Co,Ni)等多个体系多铁材料。研究了元素替代对材料的晶体结构，磁有序和铁电有序性能的影响，采用第一性原理，研究多铁材料的晶体结构，电子结构，分析多铁材料的物理机制；2. 利用磁控溅射在单晶衬底上制备出了外延薄膜和超晶格结构，分别对薄膜的结构、形貌及物性进行了研究，微观界面的应力对薄膜或者超晶格整体性能的影响；3.利用第一性原理对BiFeO3晶格结构的稳定性进行了研究，分析单晶衬底晶格结构与BiFeO3薄膜晶格结构的失配对薄膜晶体结构的影响，对于理解磁电之间的耦合具有一定的指导意义；4. 利用STO衬底表面微纳米图形结构调控BFO薄膜的畴结构，利用BFO/STO多层薄膜结构调控BFO薄膜的畴结构，研究多层膜之间的相互调制作用以及对电子传输性能的影响；5. 研究BFO畴结构与多铁耦合之间的关系在实现对BFO畴结构的有效调控的基础上,研究电场或磁场控制下BFO的多铁薄膜的电畴和磁畴结构的演化动力学。试图阐明BFO薄膜畴的大小和周期与畴壁间多铁耦合的关联，深化对多铁机理的理解。6.研究应力调控的BFO薄膜和BFO/STO多层薄膜的漏电行为，有研究者提出BFO/STO超晶格可能是改善BFO薄膜漏电行为的一个有效途径。通过对BFO薄膜微结构调控进而影响畴的大小和周期，可能在调节铁电矫顽场、改善BFO薄膜漏电行为方面起到积极的作用。通过本项目的研究共发表学术论文30多篇，其中SCI收录论文18篇，申请发明专利6项，完成硕士论文16篇。引进香港大学博士1人，指导博士后1人，培养研究生20多名，其中博士生2名，毕业硕士生16名。