低维MgO的应变工程

With the emergence of low-dimensional materials and nanotechnology in recent decades, strain engineering has become a hot research field in variety of directions in materials research. Due to the discovery of room temperature ferroelectricity in stained SrTiO3 thin film, the stain engineering in ferric ternary oxides attracts numerous studies. However, the study on strain engineering in low-dimensional binary oxides is rare. Low-dimensional binary oxides have demonstrated their unique advantages over ternary oxides: high carrier mobility, thermodynamic and kinetic stable in contact with silicon, CMOS compatible, etc. Therefore, strain engineering in low-dimensional binary oxides would become another hot research field. MgO is a wide band gap material (7.8eV), which is normally used as substrates for the growth of ferroelectric and superconductive thin films and is widely studied as a barrier for devices. However, there is no systematic study on strain engineering of low-dimensional MgO. Therefore, it is the right time to study this topic. Firstly we will use chemical vapor deposition to grow MgO nanowire array on substrates. Then, we will grow Ce-doped ZrO2 on the MgO nanowires to form MgO/ZrO2 core-shell structures or nanocomposites and fabricate related ultraviolet detectors. Finally we will use the martensitic transformation of ZrO2 to generate large strains in MgO nanowires. As a result, the electrical, optical and magnetic properties of MgO nanowires will be remarkably modulated, including bandgap engineering, ferroelectricity emergence, and photocurrent modulation.

近年来，由于低维纳米材料合成制备技术和纳米检测技术的发展，应变工程成为一个热门研究领域。应变SrTiO3中室温铁电性的发现，引发了三元氧化物应变工程的研究热潮。然而，对于结构简单的二元氧化物的应变工程研究却很少。二元氧化物相比三元氧化物有着高迁移率、热稳定性、COMS兼容性等优势，因此对二元氧化物的应变工程也将成为一个研究热门。其中，MgO是一种宽禁带材料（7.8eV），通常作为衬底生长铁电、超导薄膜，并作为器件势垒层被广泛研究。但实验上还没有应变对低维MgO材料影响的系统研究，于是我们开展此项研究工作。首先通过化学气相沉积等方法制备MgO纳米线阵列，然后沉积Ce掺杂ZrO2形成MgO/ZrO2核壳结构纳米线或者纳米复合薄膜及制备相关紫外光电探测器件。最后利用形状记忆陶瓷ZrO2的马氏体相变使MgO中产生巨大应变量，从而调节MgO的原有性质以实现能带可调、铁电性和光电性能可调。

应变工程是指通过控制应变调整材料的性能。在低维材料中，当弹性应变大于~1%时，会引起材料的结构、电学、磁性、催化等巨大变化。例如，通过外延生长SrTiO3产生双轴应力，使得非铁电材料的SrTiO3产生了室温铁电性，引起了三元氧化物应变工程的研究热潮。其实应变工程在硅产业中早已应用，在Si1-xGex 衬底上外延生长引起的应力使得硅器件中载流子迁移率得到显著提高。然而，应变在薄膜外延生长中却是个不利因素，大的应变会在薄膜中产生大的应变能，随着薄膜厚度的增加，应变能越来越大，最后会形成大量位错等缺陷来减小应变能。因此，研究低维材料的应变工程非常有意义以及有广泛的应用前景，是一个热门研究领域。其中，MgO是一种宽禁带材料（7.8 eV），通常作为衬底生长铁电、超导薄膜，并作为器件势垒层被广泛研究。但实验上还没有对低维MgO材料系统研究，于是我们开展此项研究工作。首先通过化学气相沉积等方法制备MgO纳米线并同时找到制备ZrO2纳米结构的最佳实验参数，然后在MgO纳米线上沉积ZrO2形成MgO/ZrO2纳米复合材料。我们发现该异质结构的MgO产生巨大的应变，该应变有望改变MgO原有的物理性质。另一方面，对于卤化物钙钛矿的应变工程研究也很少。在异质外延生长中，由于外延层和衬底晶格失配，在外延层中会产生应变，该应变会导致薄膜中位错等缺陷的形成，降低了薄膜质量。我们通过远程外延方法，即引入石墨烯缓冲层，减小薄膜衬底耦合作用，以减小薄膜中应变能，从而得到高质量外延卤化物钙钛矿薄膜。在具有低界面能的远程外延的情况下。第一原理计算和分子动力学模拟揭示了在远程外延方法中较弱的外延薄膜和衬底间相互作用和所得到的外延薄膜的低密度位错机制。高分辨率传输电子显微镜，高分辨率原子力显微镜和Cs校正扫描透射电子显微镜揭示了远程外延薄膜的晶格/原子和位错结构。远端外延薄膜位错密度的可控可以揭开卤化物钙钛矿中位错-载流子动力学关系的研究。我们对于减小卤化物钙钛矿薄膜应变能的研究提供了一条开发低位错密度，改善载流子动力学并且无须衬底的卤化物钙钛矿薄膜的途径。