纳尺度异质铁电隧道结光电二极管效应机械载荷可控性理论及实验研究

多年来，尽管人们对纳尺度铁电、压电材料特性以及量子隧道结隧穿、光伏特性分别进行了长期及大量的研究。但就纳尺度铁电材料而言，大部分研究都集中在其相变、极化、介电、压电及热电等特性；对于量子隧道结而言，研究仅针对其量子隧穿电流及光电特性等；少有研究报道将纳尺度铁电力电耦合特性和量子隧道结隧穿效应、光电特性相结合研究。本项研究将综合考虑铁电力电耦合特性及隧道结量子隧穿及光电特性，结合细微观力学、电磁理论、热力学及量子力学，系统建立对称、非对称型铁电异质隧道结力学载荷作用下隧穿电流及光伏特性的光电二极管效应理论模型。运用失稳、相场、分子动力学及第一性原理，重点结合实验制备和性能分析，为基于异质铁电隧道结的光电功能器件设计及分析奠定研究基础。本项目是功能材料、物理、力学、光学等多学科交叉问题，通过本项目研究，我们力争拓宽光电功能材料与物理力学等学科的交叉研究领域，摸索有效方法处理该研究领域关键问题。

基于纳尺度铁电材料构建异质隧道结，可以将压电、铁电等材料特性与量子隧道结隧穿及光电特性结合起来，从而使体系显现更为丰富的耦合调控效应。然而少有研究报道将隧穿及光电特性与铁电材料的力电耦合特性结合起来进行研究。本项目围绕“纳尺度异质铁电隧道结光电二极管效应机械载荷可控性”，考虑铁电力电耦合特性对隧道结量子隧穿及光电特性的影响，结合细微观力学、电磁理论、热力学及量子力学，运用多尺度理论研究手段，系统建立对称、非对称型铁电异质隧道结力学载荷作用下隧穿电流及光伏特性的光电二极管效应理论模型。重点结合实验制备和性能分析，为基于异质铁电隧道结的光电功能器件设计及分析奠定研究基础。在项目执行期间中，我们展开了系统深入的理论和实验研究。运用第一性原理计算方法，我们全面揭示了复杂界面环境对铁电隧道结极化稳定性的影响规律，提出可以通过界面设计结合机械载荷调控隧道结的极化稳定行为；我们建立了非对称铁电隧道结的热力学模型，细致考虑温度、界面、失配应变等因素，对其铁电临界行为及热力学相图进行了全面的预报；结合非平衡格林函数方法和量子隧穿理论，我们计算了铁电隧道结、多铁隧道结及压电隧道结的电子输运特性，揭示其隧穿电流二极管效应、磁电耦合效应及显著的力学载荷和界面调控性；针对铁电超薄结构，我们考虑应变梯度相关的复杂力电效应，运用第一性原理计算和相场模拟分析体系的极化稳定性，揭示了弯曲载荷对铁电隧道结光电特性的调控作用。实验方面，基于多种制备工艺，我们制备出一系列对称型及非对称型铁电异质电容结构，对其铁电、压电等基本性能及光电输运相关特性进行了深入表征及测量，揭示了可翻转的电流二极管效应和电阻开关效应；力学调控方面，我们搭建了力学加载和测试平台，综合运用多种加载等方法，研究了铁电异质结在加载条件下的光电输运特性变化规律。项目整体执行顺利，取得了预期的成果，相关研究成果揭示了纳尺度异质铁电隧道结光电二极管效应机械载荷可控性规律，对相关器件设计和应用具有重要指导意义。本项目是功能材料、物理、力学、光学等多学科交叉问题，本项目的研究也为拓宽和探索光电功能材料与物理力学等学科的交叉研究领域提供了有益的启示。