铁电/半导体氧化物异质结的光电转换效应及其调控机理研究

The project will significantly focus on ferroelectric/semiconductor heterostructure formation mechanism based on n-type inorganic perovskite ferroelectric films, p-type CuGaO2 films and related doped compounds and the well-known “bulk photovoltaic effect” of ferroelectric system. As compared to traditional semiconductor pn structure, we will optimize the growth parameters and find the interface modification law by considering the commonness and discrepancy of their fabrication techniques from chemical and physical methods. In the project, we will analyze optoelectronics properties and discover the photovoltaic transformation mechanism of ferroelectric/CuGaO2 pn heterostructure with the aid of some advanced spectroscopic and electronics characterization techniques together with surface/interface microstructure methods. Moreover, we will study the photoelectric transformation mechanism of some heterostructure device prototype, such as metal/ferroelectric/semiconductor, ferroelectric/semiconductor/metallic oxide, which is focused on photogenerated carriers, I-V characteristics, domain wall conductivity, filling factor, spectral response and quantum conversion efficient. The intrinsic relationship between the above key parameters and physical properties of ferroelectric and transparent conductive oxide films with their interface patterns can be well explained. The project will breach the traditional photoelectric effect theory, which can offer novel method for photoelectric conversion applications.

本项目主要立足于n型无机钙钛矿结构铁电薄膜体系的“体光伏效应”及其与p型CuGaO2薄膜及相关掺杂化合物材料的异质结形成机理，利用不同氧化物薄膜之间化学和物理法制备工艺的共性和差异，优化生长参数，力求发现不同于传统半导体pn结的器件结构和界面行为的调控规律。利用先进的光电子学评价手段，结合表面/界面微观表征技术，分析不同铁电和透明氧化物薄膜层的光电耦合特性，逐步揭示它们的异质结光电转换及其调控规律。进一步研究金属/铁电/半导体、铁电/半导体/金属氧化物等多种异质结构的光电转换机制，如光生载流子、电流-电压特性、铁电畴壁导电能力、填充因子、光谱响应分布以及潜在的转换效率等，揭示这些关键参数与无机铁电薄膜和透明导电氧化物薄膜及其界面物理性质之间的本征联系，突破传统的半导体光电效应理论，为新型光电转换器件的研发提供新途径。

光电转换是自然界物质转化和能量转化的基本形式之一。铁电氧化物由于具有自发极化特性能够对光吸收产生的载流子自然分离，产生更高的开路电压，使得它们更容易被高效收集，从而为其在太阳电池中的应用开辟了一条崭新的途径。其次，基于二维层状材料在光学和电学等领域的优异特性，利用该特性以及它们的外场调控性能探索它们在光伏器件和光电探测器领域的潜在应用是当前研究的热点，也是解决光电转换问题的有效新方法。.本项目主要采用脉冲激光沉积技术和化学溶液法等，建立了针对铁电氧化物、半导体氧化物以及二维薄膜等功能材料体系的优化生长工艺，进一步利用多种先进凝聚态光谱技术，对上述材料体系开展了系统的光学和电学特性、光电耦合及转换效应、相变规律以及相应的光电原型器件等研究，澄清了它们的光生载流子、电流-电压特性、铁电畴行为、光谱响应分布以及光电转换效率等物理机理。在铁电氧化物体系的光电转换规律和光伏原型器件应用、挠曲电效应诱导有效面外压电响应以及氧化物基储能器件等方面均取得了一些重要的进展。其次，本项目还提出和发现了压电力显微(PFM)成像的新方法和新效应，实现稳定可靠的纳米级分辨高灵敏度PFM液下显微成像；建立机器学习模型分析拉曼光谱数据，从而可以利用光谱大数据实现相变结构的判定等。最后，本项目预言了二维材料异质结体系的光电性能及其在光伏器件中潜在应用等。在本项目资助下，共发表SCI收录学术论文42篇(其中Small、PRB、ACS Appl. Mater. Interfaces和Nanoscale等高水平期刊论文20篇)，应邀参加国际国内学术会议13次等。在铁电氧化物光电转换效应及外场调控研究领域合作撰写专著《铁电陶瓷和单晶的光电转换机理》1部，培养了博士研究生12名以及硕士研究生8名等。.综上所述，本项目不仅高质量地完成了计划任务书中各项要求及指标，而且还延伸了项目成果至其它相关研究领域，为项目的可持续性研究和课题组后续发展奠定了坚实基础。